№ 1
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 533.9
© 2008 г. РУТБЕРГ Ф.Г., ШАКАРЯН Ю.Г., ГОНЧАРЕНКО Р.Б., КАШАРСКИЙ Э.Г., ЛАБУНЕЦ И.А.
О ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
АСИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Рассмотрены возможности использования асинхронизированных генераторов в агрегатах различного типа для повышения устойчивости и маневренности электрических систем.
Общие замечания
Одно из перспективных направлений развития электроэнергетики - создание и применение в ЕЭС России управляемых линий электропередачи переменного тока. Это новая технология, позволяющая превратить существующие линии электропередачи в управляемые путем регулирования заданным образом величины и фазы вектора напряжения и реактанса сети, что приводит к повышению пропускной способности, устойчивости, экономичности (за счет оптимального перераспределения потоков мощности по параллельным линиям электропередачи различного класса напряжений) электрических сетей. В ряде случаев применение управляемых линий электропередачи позволяет отказаться от дополнительного строительства линий электропередачи переменного тока, загрузив существующие без нарушения условий устойчивости. Управляемые электропередачи строятся и на основе статических полупроводниковых преобразователей, и на основе электромашинно-вентильных комплексов (сочетание электрических машин с преобразователями частоты). В состав этих устройств могут входить также различного рода накопители (маховичные, индукционные, емкостные), предназначенные для демпфирования колебаний активной мощности, обеспечения бесперебойности снабжения потребителей при кратковременных исчезновениях питающего напряжения.
Необходимость создания управляемых электропередач и соответствующих устройств очевидна, особенно в связи с реструктуризацией РАО "ЕЭС России" и созданием федеральной сетевой компании ОАО "ФСК ЕЭС".
Работы в области управляемых электропередач проводятся во всем мире. Актуальность этой проблемы подтверждается многочисленными конференциями, проводимыми по данной проблеме (СИГРЭ и др.), и большим количеством публикаций.
Электромашинновентильные комплексы устройств управляемых линий электропередачи создаются на базе асинхронизированных машин и установок на их основе [1].
В настоящей работе систематизированы основные результаты технических разработок в этой области [1-6].
Асинхронизированные турбо- и гидрогенераторы
Асинхронизированные турбогенераторы, в отличие от синхронных, способны работать устойчиво и в режимах выдачи, и в режимах глубокого потребления реактив-
2 Энергетика, № 1
33
ной мощности [1], благодаря наличию двух одинаковых или разных (в отношении величины мдс) обмоток возбуждения и специальной системы регулирования, обеспечивающих так называемое векторное регулирование в электроэнергетических системах. Такое регулирование обеспечивает асинхронизированному турбогенератору лучшие, чем у синхронных генераторов, динамические свойства (демпфирование колебаний, динамическую устойчивость), способность устойчиво работать через протяженные линии электропередачи.
Первые в мировой практике асинхронизированные турбогенераторы (с водородным охлаждением) мощностью 200 МВт были созданы в б. СССР (завод "Электротяж-маш", г. Харьков). В 1986-1990 гг. эти генераторы были установлены на Бурштын-ской ГРЭС (Украина) и успешно эксплуатируются до настоящего времени [2].
В 2003 г. асинхронизированный турбогенератор с полностью воздушным охлаждением (ОАО "Электросила") мощностью 110 МВт был введен в эксплуатацию на ТЭЦ № 22 ОАО "Мосэнерго".
В ближайшее время предполагается введение асинхронизированных турбогенераторов мощностью 160 МВт с полностью воздушным охлаждением на ТЭЦ № 21 и ТЭЦ № 27 ОАО "Мосэнерго" в составе ПГУ-450 и турбогенератор 320 МВт на энергоблоке № 3 Каширской ГРЭС.
Асинхронизированные гидрогенераторы, помимо достоинств асинхронизированных турбогенераторов, способны также работать с переменной частотой вращения агрегата благодаря шихтованному ротору. Как показывают исследования и опыт Японии [1], при надлежащем изменении частоты вращения гидроагрегата в зависимости от напора воды может быть обеспечено повышение КПД в пределах 1,5% - 10%. Такое решение актуально для агрегатов ГАЭС, об этом свидетельствует опыт Японии, где фирмы Мицу-биси, Тошиба, Хитачи реализовали на практике более десяти подобных проектов мощностью от 80 до 500 МВт.
В настоящее время руководством ОАО РАО "ЕЭС России" и ОАО "Силовые машины" принято принципиальное решение о разработке и создании асинхронизированных гидрогенераторов для проектируемых в России ГАЭС.
Подобное же техническое решение может оказаться перспективным для приливной энергетики, когда она получит практическое применение.
Асинхронизированные компенсаторы
Эти компенсаторы, в отличие от синхронных, способны работать в режиме изменения реактивной мощности ±100%, в отличие от статических устройств регулирования реактивной мощности, не создают высших гармоник в сети и имеют высокую перегрузочную способность.
Асинхронизированный компенсатор с маховиком на валу может интенсивно демпфировать колебания активной мощности в энергосистемах. Свидетельство этому -опыт Японии по применению в энергосистеме о. Окинавы маховичного асинхронизи-рованного компенсатора мощностью 60 МВ ■ А [1].
План развития Московского региона предполагает применение на подстанции 500 кВ "Бескудниково" двух асинхронизированных компенсаторов мощностью по 100 МВ ■ А производства ОАО "Электросила".
Электромашинное устройство гибкой связи для объединения несинхронно работающих энергосистем
Это устройство состоит из двух асинхронизированных машин, соединенных общим валом. Устройство допускает регулирование перетока активной мощности между системами с различающимися частотами тока [6].
^ = 50 : 0 Гц
Рис. 1. Схема компенсатора колебаний частоты в энергосистеме на базе маховичного синхронного генератора (проект): Г - генератор; М - маховик; ТР - трансформатор; СК - синхронный компенсатор
За рубежом подобные агрегаты применяются для связи энергосистем промышленной частоты и железнодорожных сетей (16 2/3 Гц).
Самая большая мощность агрегата - 60 МВт. В России разработаны проекты таких агрегатов единичной мощностью 100 и 200 МВт (ОАО "Электросила"), реальные заказы отсутствуют.
Маховичные агрегаты для покрытия пиков нагрузки
В [4, 5] авторами были рассмотрены возможности применения маховичных синхронных машин в качестве накопителей энергии, при этом предусматривается предварительное накопление и сохранение энергии в форме механической энергии вращающихся масс с выделением ее в случае необходимости в энергосистему в виде импульса длительностью в пределах 5-30 с. В [5] указан вариант взаимодействий маховичного источника кратковременной мощности с возможной автоматической частотной разгрузкой энергосистемы.
Следует отметить, что рассматриваемые технические задачи является частью общей проблемы создания управляемых линий электропередачи.
Структурные схемы маховичных накопителей. Распространение в качестве электромеханического источника для покрытия пиков нагрузки различных типов получили маховичные агрегаты с синхронными машинами. Поскольку при торможении агрегата в ходе питания нагрузки частота тока статора уменьшается, присоединение такого агрегата к энергосистеме целесообразно осуществлять через преобразователь частоты. Для практического создания подобной установки на основе существующего оборудования в настоящее время перспективной является схема присоединения махо-вичной машины к сети переменного тока через систему с промежуточным звеном постоянного тока, состоящую из выпрямителя и инвертора, что позволяет использовать решения, разработанные для известной схемы вставки постоянного тока. При использовании для расчетов режима энергосистемы по программе "Мустанг" маховичный агрегат был представлен отрицательным активным сопротивлением или в виде так называемого "виртуального" синхронного генератора. На рис. 1 показана схема структуры аг-
2* 35
Рис. 2. Схема компенсатора колебаний частоты в энергосистеме на базе маховичного асинхронизированно-го генератора (предпроектная разработка): АСМГ - асинхронизированная электрическая машина; UF1 -преобразователь частоты со звеном постоянного тока на транзисторах типа IGBT; UF2 - циклоконвертер на тиристорах; QF1, QF3 - переключатели; QF2, QF4 - выключатели; ДЧФР - датчик частоты и фазы ротора (подключается для управления циклоконвертором при пуске в области частот вращения 600-900 об/мин и в рабочих режима)
регата с соответствующим дополнительным оборудованием для одного из вариантов расчета. Предусматривается разгон маховичной машины в режиме синхронного двигателя при питании его статора через трансформатор ТР1 и пусковой преобразователь частоты напряжением изменяющейся частоты. Для регулирования напряжения на выходе рабочего преобразователя предусмотрен синхронный компенсатор. К недостаткам схемы следует отнести необходимость иметь мощность рабочего преобразователя частоты равную мощности маховичной машины, что заметно повышает стоимость установки. Альтернативой может быть схема с использованием асинхронизиро-ванной машины, обмотки возбуждения которой питаются от преобразователя частоты (рис. 2).
Асинхронизированная машина для маховичного агрегата представляет собой асинхронную машину двойного питания с фазным ротором, у которой каждая обмотка статора и ротора связана с сетью переменного тока. При этом ток статорной обмотки имеет частоту сети переменного тока, а ток в роторной обмотке, присоединяемой к этой же сети через преобразователь частоты и, если требуется, через трансформатор, имеет частоту скольжения.
Оценка характеристик маховичной асинхронизированной машины (АСМ). Пред-проектные разработки показали возможности создания АСМ со следующими данными:
- кратковременная мощность 200 МВт;
- синхронная номинальная частота вращения 750 об/мин;
- диапазон изменения частоты вращения 900-600 об/мин в течение импульса мощности;
- масса совмещенного с маховиком ротора 300 т;
- расположение оси - верт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.