Энергоменеджмент автономных электроэнергетических установок при параллельной работе с сетью

Наметившаяся в электроэнергетике тенденция на все более широкое использование автономных электроэнергетических установок (АЭУ) малой и средней мощности в режиме постоянного резервирования сетевых подстанций приводит к необходимости организации регулируемой параллельной работы агрегатов с сетью в рамках общего энергоменеджмента (ЭМ) АЭУ. Для параллельной работы с сетью чаще всего используются газомоторные агрегаты (ГМА) мощностью от 1МВт до 4МВт и турбогенераторные агрегаты (ТГА) мощностью от 1МВт до 12МВт, реже — ветроэнергетические установки (ВЭУ) и малые гидро­электростанции (МГЭС) мощностью до 1МВт.

В этой связи могут быть рассмотрены три основных режима параллельной работы АЭУ с сетью по критерию регулирования активной и реактивной мощности при изменении нагрузки:

• режим симметричного (пропорционального) распределения нагрузки;
• режим асимметричного (по заданному значению) распределения нагрузки;
• режим адаптивного (по изменяемому заданному значению) распределения нагрузки.

Регулирующее воздействие от системы ЭМ АЭУ по активной составляющей должно быть направлено на изменение враща­ющего момента, определяющего активную мощность на валу агрегата, и, следовательно, его долю активной нагрузки в энергосистеме. При этом регулирование активной мощности АЭУ должно предусматривать (при определенных условиях) ограничение или запрет экспорта энергии в сеть при снижении нагрузки, а также ограничительные пределы при перегрузках и недо­грузках агрегатов.

Регулирующее воздействие от системы ЭМ АЭУ по реактивной составляющей должно быть направлено на изменение возбуждения (ЭДС) генератора, что определяет его реактивность емкостного или индуктивного характера по отношению к сети и, как следствие, приводит к изменению коэффициента мощности (cosφ) энергосистемы за счет компенсации доли реактивной составляющей нагрузки. При регулировании реактивной мощности также необходимо предусматривать ограничение перевозбуждения генератора при низком коэффициенте мощности (индуктивный характер нагрузки) из-за недопустимого роста реактивного тока, или обратного (емкостного) тока при недостатке возбуждения синхронной машины.

Таким образом, ЭМ АЭУ при параллельной работе с сетью сводится к регулированию активной и реактивной мощности (cosφ) агрегата в соответствии с алгоритмом, реализуемым сис­темой автоматического управления (САУ).

Рассмотрим упрощенную схему энергосистемы с сетевым вводом и вводом от АЭУ, включенной на нагрузку Zн = var (см. рис. 1).

При симметричном распределении нагрузки САУ1 и САУ2 энергосистемы настраивается на автоматическое регулирование активной и реактивной мощности АЭУ в зависимости от нагрузки пропорционально параметрам номинальной мощнос­ти агрегата (агрегатов) и сетевого ввода. Обмен данными между САУ1 и САУ2 обеспечивается по коммуникационной шине. Такое регулирование менее предпочтительно для ГМА из-за возможного широкого диапазона изменения нагрузки, а также из-за вероятности возникновения перегрузок и недогрузок агрегата при пиковых отклонениях нагрузки в энергосистеме.

При асимметричном распределении нагрузки для АЭУ задаются фиксированные значения регулирования активной и реактивной мощности, например Р = 100% от Рн и cos φ = 0,9.

В этом случае при изменении нагрузки ниже уставки регулирования мощности и нежелательности экспорта энергии в сеть САУ1 при взаимодействии с САУ2 формирует сигнал снижения мощности агрегата до момента достижения нулевого или некоторого незначительного положительного значения мощности сетевого ввода или же переключает асимметричный режим распределения нагрузки АЭУ на симметричный, снижая мощность агрегата до пропорциональной доли нагрузки, распределяя ее с сетью.

Аналогично производится регулирование коэффициента мощности. Перерегулирование в этом случае по реактивной составляющей также ограничивается переходом в режим симметричного распределения реактивной мощности (cosφ) или полной остановкой регулирования возбуждения генератора.

Такой способ распределения нагрузки наиболее предпочтителен, например, для ГМА, так как обеспечивает оптимальный и экономичный режим работы подобных агрегатов.

Рис. 1. Схема энергосистемы с АЭУ

Адаптивное распределение нагрузки характерно тем, что в качестве заданного значения регулирования мощности в САУ АЭУ в режиме реального времени вводится величина, пропорциональная актуальной нагрузке энергосистемы (от датчика нагрузки ДН). Если нагрузка изменяется в пределах номинальной мощности агрегата, этот режим регулирования позволяет обеспечить энергобаланс без экспорта (импорта) энергии в сеть (из сети).

Наиболее подходящими для реализации функций энергоменеджмента АЭУ при параллельной работе в сети можно предложить универсальные специализированные микропроцес­сорные контроллеры (МПК) семейства Symap^®, производства фирмы Stucke Elektronik GmbH (Германия), предназначенные для использования в низковольтных, средневольтных и высоковольтных электроэнергетических системах.

Symap^® реализует функции управления вращающихся АЭУ (ГМА, ТГА, ДГА, а также ВЭУ и МГЭС) в соответствии с требо­ваниями высшей степени автоматизации как при параллель­ной работе агрегатов одинаковой или различной мощности (до 14 агрегатов), так и при параллельной работе с сетью.

МПК Symap^®, кроме того, обеспечивают все основные виды релейных защит и автоматики (РЗА) в соответствии с нормами МЭК и ANSI для генерирующих вводов, трансформаторов (включая трехобмоточные), линий нагрузки и т. д. Например, защиты: ANSI 59, 59B, 78, 78S, 81, 81B – специально предусмотрены для режима параллельной работы АЭУ с сетью.

Рис. 2. Фронтальный вид системных модулей Symap^®-BCG и Symap^®-ECG

Лицевые панели всех 12 модификаций Symap^® (см. рис. 2) выполнены в соответствии с современными требованиями к HM-интерфейсу. Большой графический дисплей дает возможность отображать максимум текущей статусной, параметрической, аварийно-предупредительной, сервисной, диагностической и прочей информации. Управление и пара­метрирование с помощью минимального набора функ­цио­нальных и навигационных кнопок по принципу расширяемого меню позволяет просто и быстро освоить прибор в режиме самообучения. Системное рабочее конфигурирование устройства в соответствии с заданным алгоритмом управления и защит может быть произведено непосредственно с кнопочного поля лицевой панели и не требует программатора.

Принцип конфигурирования устройства основан на событийной (ивентуальной) логической аппликации фрагментов базовых алгоритмов, записанных в ПЗУ контроллера, и представляемых в виде операционных экранов на дисплее прибора.

В качестве примера можно привести конфигурирование МПК Symap® для функций симметричного, асимметричного и адаптивного распределения нагрузки (см. рис. 3, 4) при импульсном регулировании. Кроме импульсного управления, Symap® обес­печивает ШИМ-управление и ПИД-управление.

Контроллер распределения нагрузки при импульсном регулировании работает по принципу трехпозиционного регулятора. В течение определенных временных интервалов вычисляется отклонение между заданным и фактическим значениями нагрузки. Длительность управляющих импульсов рассчитывается в функции этого отклонения. Если отклонение находится в зоне нечувствительности, управление блокируется.

Рис. 3. Экран распределения нагрузки

Рис. 4. Экран распределения нагрузки

Конфигурирование производится в следующем порядке:

[0925. SYM. – switch by event :]

Включение функции симметричного распределения нагрузки производится установкой соответствующего ивента.

[0926. – characteristic :]

Порядок включения функции:

ON -> OFF: Если ивент активен, функция отключается.

OFF -> ON: Если ивент активен, функция включается.

[0927. – break time :]

Установка длительности пауз импульсного сигнала управления. В течение паузы контроллер рассчитывает длительность следующего импульса управления.

[0928. – pulse time :]

Установка базовой длительности импульсов управления, соответствующей 100% разности заданного и фактического значений нагрузки. Длительность управляющего импульса рассчитывается автоматически в функции текущего отклонения этих значений с учетом базовой установки.

[0929. – deadband :]

Зона нечувствительности регулятора.

[0930. – higher event :]

Ивент для повышения частоты вращения.

[0931. – lower event :]

Ивент для понижения частоты вращения.

[0932. ASYM. – switch by event :]

Включение функции асимметричного распределения нагрузки установкой соответствующего ивента. В случае параллельной работы с сетью (Параметр [0190]) режим асимметричного распределения нагрузки всегда разрешен.

[0933. – characteristic :]

Порядок включения функции асимметричного распределения нагрузки:

ON -> OFF: Если ивент активен, функция отключается.

OFF -> ON: Если ивент активен, функция включается.

[0934. – setpoint :]

Диапазон уставки регулятора асимметричного распределения нагрузки составляет 0-100% от номинальной нагрузки агрегата.

[0935. – analog input :]

Уставка предельного значения асимметричного распределения нагрузки может задаваться через аналоговый вход.

[0936. – range minimum :]; [0937. – range maximum :]

Минимальное и максимальное предельные значения для режима асимметричного распределения нагрузки.

[0938. – next attempt :]

При достижении нагрузки генератора предельных значений режим распределения нагрузки переключается из асимметричного в симметричный. По истечении устанавливаемой здесь временной задержки контроллер распределения нагрузки снова переключится в режим асимметричного распределения.

[0939. Allowed load difference :]

Если разность между заданным и фактическим значением нагрузки превысит вводимую здесь предельную уставку, активируется ивент [0939] (Правило DNV).

[0940. – delay :]

Временная задержка ивента [0939].

[0941. REGUL. – switch by event :]

Ивент ввода вторых базовых значений управляющего сигнала.

[0942. – 2. break time :]

Второе значение длительности пауз регулятора.

[0943. – 2. pulse time :]

Второе значение базовой длительности управляющих импульсов.

[0944. ASY. setpoint switch by :]

Ивент переключения в асимметричном режиме распределения нагрузок между двумя источниками уставок: фиксированной – Параметр [0934] или заданной с аналогового входа – Параметр [0935].

[2490. PTI mode – shaft gen. :]; [2491.- DG max.limit :]; [2492.- delay:]

Специальные параметры для работы валогенераторов в двигательном режиме.

[2493.PULSE/PAUSE- diff. limit:]

Ввод сигналов управления с постоянной длительностью импульса/паузы. Функция активируется в случае, если текущее контролируемое отклонение превысит предел, задаваемый в параметре [2493].

[2494. – pulse time :]

Длительность импульса при контроле нагрузки в связи с [2493].

[2495. – pause time :]

Длительность пауз при контроле нагрузки в связи с [2493].

[2496. – block by :]

Ивент блокировки функции распределения нагрузки.

[2497. Allowed load diff.2.lim. :]

Второй предел отклонения заданного и фактического значений нагрузки.

[2498. – delay :]

Временная задержка при достижении предела [2497], по истечении которой активируется ивент [2498] (правило DNV).

Анализ современного рынка МПК для АЭУ с высокой степенью автоматизации показывает безусловное лидер­ство устройств семейства Symap^® в своем классе по совокупному показателю цена-качество, что подтверждается также высоким уровнем продаж в Европе (в том числе России и странах СНГ), в азиатском, североамериканском и латиноамериканском регионах.

В. А. Родин, канд. техн. наук,
ген. директор ООО «Нева Электрик»