226
I.
В
ВЕДЕНИЕ
Электроэнергетические системы состоят из ряда
крупных, разнотипных генерирующих и потребляющих
установок и агрегатов. Взаимосвязь этих элементов
показана на рис. 1.1.
Вращающееся электрическое оборудование, такое как
синхронные турбогенераторы, различные синхронные и
асинхронные двигатели, вносят вклад в инерцию системы
посредством
запасания
кинетической
энергии
вращающихся масс агрегатов [1].
Рис. 1.1 – Взаимосвязь генерирующих и потребляющих установок и
агрегатов
Объекты ВИЭ, такие как ВЭУ, как правило,
подключаются к энергосистеме посредством инверторной
связи, не имеющей инерционного отклика (ИО), в
результате такие установки приведут к снижению инерции
энергосистемы [2].
На сегодняшний день, установленная мощность
возобновляемых источников энергии ВИЭ в ЕЭС России
составляет 2,7 ГВт, что составляет порядка 1,1 % от
установленной мощности. В будущем планируется
дальнейшее
увеличение
установленной
мощности
объектов [1]. Увеличением доли объектов ВИЭ в составе
генерирующих установок, скажется на характеристиках
инерционного отклика энергосистемы [3].
Инерционный отклик – это немедленная реакция на
нарушение питания, которое вызывает изменение частоты,
например, при отключении мощного генератора или
резком увеличение нагрузки. Инерционный отклик важен,
потому что он снижает скорость изменения частоты после
возмущения, что может привести к предотвращению
сброса нагрузки с пониженной частотой или еще более
серьезным проблемам. Обычные синхронные генераторы
обеспечивают инерционный отклик естественным образом
путем затрачивания накопленной кинетической энергии
вращающихся масс агрегата [4].
При возникновении резкого дефицита активной
мощности, частота в энергосистеме начнет снижаться,
можно выделить несколько этапов такого переходного
процесса рис. 1.2.
Рис. 1.2 – Этапы процесса снижения частоты при первичном
регулировании
На этапе А скорость снижения частоты определяется
величиной небаланса активной мощности и инерционным
откликом, зависящего от механической инерции
энергорайона.
На этапе Б при дальнейшем увеличении отклонения
частоты, увеличивается влияние регулирующего эффекта
нагрузки, в результате чего скорость снижения частоты
уменьшается.
На этапе В срабатывают регуляторы частоты вращения
и мощности агрегатов, под действием которых процесс
снижения частоты замедляется, приостанавливается, а
после повышается до установившегося значения [1].
При снижении частоты применяется автоматика
ограничения снижения частоты (АОСЧ), в частности
автоматическая частотная разгрузка (АЧР). Однако при
больших небалансах активной мощности, порядка 45% от
потребления и скорости снижения частоты 1,8 – 2,0 Гц/с
действие АЧР может не обеспечить прекращение снижения
и стабилизацию частоты. В таких случаях может
применяться дополнительная автоматическая разгрузка
(ДАР) [5].
II.
О
ПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Нарушение баланса между генерируемой мощностью
агрегатов Р
ген
и потребляемой мощностью нагрузки Р
нагр
энергосистемы, показанной на рисунке 1.1, приведет к
возникновению соответствующего дисбаланса между
механическим крутящим моментом турбины М
Т
и
электромагнитным моментом каждого генератора М
ЭМ
, в
свою очередь соответствующий мощности электрической
нагрузки сети. Скорость роторов, а следовательно, и
частота системы, при возникновении дисбаланса,
изменяется в соответствии с уравнением движения
агрегата турбина-генератор [6].
*
*
*
ном
Т
ЭМ
ном
d
J
M M
М dt
=
−
(2.1)
где ω - угловая скорость (рад/с), J - момент инерции
вращающихся масс (кг м
2
) каждого генератора.
В случае резкого нарушения баланса генерируемой и
потребляемой активной мощности, из-за конечного
времени отклика регуляторов и постоянных времени
установки, мгновенный дисбаланс компенсируется
изменениями в накопленной кинетической энергии
вращения E
k
системы, которая определяется выражением:
2
2
k
E J
=
(2.2)
Величина T
J
– постоянная времени вращающихся масс,
характеризует инерционность системы. Из уравнения
кинетической энергии можно получить выражение
постоянной инерции и определить соотношение с
постоянной времени инерции:
2
2
J
ном
T J
Н
P
=
=
(2.3)
Заменив в выражении (2.1) величины моментов
соответствующими мощностями и разделив на 2π, получим
