Энерговектор
О насНовостиНаука и технологииСтратегияАрхив

Складывая частоты

21.12.2016, Алексей Батырь
Асинхронизированные электрические машины позволяют решать задачи системного регулирования и накопления энергии

Энергосистемы России и других стран страдают от избытка реактивной мощности, возникающей в длинных линиях. Для решения проблемы необходимо тем или иным способом организовать потребление реактивной мощности из сети.

Наиболее изящным решением, конечно же, стала бы компенсация реактивной мощности непосредственно на генерирующем оборудовании. Однако турбогенераторы традиционной конструкции (синхронные) не могут потреблять большую реактивную мощность из сети из-за нагрева и нарастания механических напряжений в торцевых зонах статоров, а также потери устойчивости. Поэтому проблему обычно решают с помощью синхронных компенсаторов (двигатели без механической нагрузки) и шунтирующих реакторов различных типов. Но есть и другой способ - применение на электростанциях специальных турбогенераторов, способных устойчиво работать в режимах глубокого потребления реактивной мощности из сети. Это асинхронизированные турбогенераторы (АСТГ) - подкласс асинхронизированных электромашин (АСМ), или (как их называют за рубежом) асинхронных машин двойного питания.

 

Немного истории

Всё началось с применения электромеханических преобразователей частоты (ЭМПЧ) для связи энергосистем. Первые ЭМПЧ были реализованы с использованием коллекторного преобразователя частоты А. Шербиуса в 1920-е годы. Затем на возможность применения ЭМПЧ в энергетических системах в 1934 г. обратил внимание профессор А. А. Горев. Он предложил построить ЭМПЧ из двух АСМ.

В 1950-х по инициативе и под научным руководством первого советского чемпиона мира по шахматам профессора М. М. Ботвинника в СССР были развёрнуты работы по созданию и практическому применению АСМ в электроэнергетике.

Несколько позже, приблизительно с начала 1980-х, разработкой, созданием и практическим применением ACM занялись ведущие мировые фирмы: Siemens, Mitsubishi, Hitachi и др.

 

Принцип работы

ACM, в отличие от синхронной машины, содержит на неявнополюсном роторе не одну, а две или три обмотки возбуждения, расположенные друг относительно друга под определённым углом. Их намагничивающая сила в общем случае может быть разной. Обмотки возбуждения питаются от реверсивных выпрямителей - преобразователей частоты, выполненных на элементной базе силовой электроники.

В ACM реализуется векторный принцип регулирования возбуждения, когда раздельно и независимо задаются активная мощность, или электромагнитный момент, и реактивная мощность, или напряжение машины.

Частота напряжения возбуждения ACM формируется как разность частоты сети и частоты вращения ротора. Если последние одинаковы (ротор вращается с синхронной частотой), тогда преобразователи системы возбуждения выдают нулевую частоту, то есть постоянный ток. Таким образом, частоты вращения ротора и сети не привязаны друг к другу, откуда вытекает ряд преимуществ ACM перед синхронными и асинхронными машинами.

Статическая устойчивость ACM практически не зависит от режима работы машины и обеспечивается при всех возможных значениях активной и реактивной мощностей. Это означает, что АСМ может как выдавать, так и потреблять реактивную мощность. Рабочие области ACM ограничиваются лишь номинальными значениями токов статора и возбуждения.

 

Турбогенераторы

Асинхронизированные турбогенераторы обладают существенно большими возможностями по регулированию потребления реактивной мощности по сравнению с синхронными (СТГ). Применение последних в установившихся режимах со скольжением невыгодно - в массивном роторе теряется много энергии. А АСТГ способны регулировать реактивную мощность, работая с синхронной частотой вращения. Ещё раз отметим, что при этом независимо задаются электромагнитный момент и напряжение.

Применяя АСТГ, можно отказаться от дополнительных устройств компенсации реактивной мощности (реакторов) на шинах станции, устанавливаемых для недопущения работы СТГ в режимах потребления реактивной мощности, увеличить надёжность работы генерирующего оборудования в целом.

Что касается надёжности собственно АСТГ, то по формальным признакам она должна быть ниже, чем у СТГ, из-за дополнительных конструктивных элементов, в которых возможен отказ (вторая обмотка возбуждения, два реверсивных тиристорных преобразователя). Однако АСТГ способен сохранять работоспособность с ограниченной функциональностью. Во-первых, при отказе одного из тиристорных преобразователей остаётся возможность работы с одной обмоткой возбуждения. В этом случае генератор становится обычным - синхронным. После устранения неисправности по команде оператора генератор снова переводится в асинхронизированный режим. Во-вторых, АСТГ способен неограниченно долго работать без возбуждения. Работа синхронных генераторов при потере возбуждения обычно ограничивается по времени (не более 30 мин.) и величине активной мощности (не более 60% от номинальной), после чего генератор отключается от сети. На практике в большинстве случаев релейная защита настроена на практически мгновенное отключение генератора от сети. Это связано с тем, что из-за электромагнитной асимметрии ротора на выходе синхронного генератора в асинхронном режиме возникают существенные колебания напряжения, тока и электромагнитного момента.

У АСТГ ротор имеет электромагнитную симметрию, поэтому при работе без возбуждения параметры режима генератора стабильны. АСТГ в этих режимах способен длительно выдавать активную мощность до 75-80% от номинальной.

 

В эксплуатации

В декабре 2003 г. на ТЭЦ-22 «Мосэнерго» был введён в опытно-промышленную эксплуатацию первый в России коммерческий АСТГ типа ТЗФА-110-2УЗ на 110 МВт. Он используется как для выдачи, так и потребления реактивной мощности. В режимах потребления 30-40 MB·А при пониженной активной нагрузке генератор работает, как правило, в ночные часы и круглосуточно в выходные дни. С пуском АСТГ на ТЭЦ-22 были решены сразу две задачи: стабилизации напряжения на шинах станции и предотвращения для параллельно работающего СТГ-блока опасных режимов с потреблением реактивной мощности.

Следующим этапом коммерческого внедрения АСТГ стал ввод в эксплуатацию ещё трех турбогенераторов в 2007-2008 гг. В составе ПГУ общей мощностью 450 МВт на ТЭЦ-27 и ТЭЦ-21 «Мосэнерго» установлены турбогенераторы ТЗФАУ-160-2УЗ мощностью 160 МВт.

 

В декабре 2009 г. на Каширской ГРЭС был введён в эксплуатацию асинхронизированный турбогенератор ТЗФСУ-320-2УЗ мощностью 320 МВт. Всё упомянутое оборудование было разработано и изготовлено ОАО «Силовые машины».

 

Компенсаторы в сетях

Один из важных элементов в современных электрических сетях - это устройства компенсации реактивной мощности. Они помогают не только поддерживать уровни напряжения в узлах сети, но и снизить потери благодаря подбору оптимального режима.

Электромашинные компенсаторы реактивной мощности, в отличие от статических устройств, выдерживают кратковременную двукратную перегрузку. Также важна устойчивость к возможным импульсным перенапряжениям на линиях (например, грозовым). Наконец, электромашинные компенсаторы не выдают в сеть высшие гармоники.

 

Гидрогенераторы

Наиболее маневренны, а следовательно, лучше всего приспособлены для регулирования частоты и мощности в энергосистеме гидро- (ГЭС) и гидроаккумулирующие (ГАЭС) электростанции. Скорость изменения активной мощности гидроагрегатов, определяемая быстротой открытия/закрытия заслонок направляющего аппарата, достигает 500 МВт/мин. и ограничивается параметрами регулирующего аппарата, условиями возникновения гидроудара и другими гидродинамическими характеристиками.

ГЭС и ГАЭС широко применяются в электроэнергетике, однако есть целый ряд проблем, связанных как с электрической, так и гидравлической частями гидроагрегата с синхронным генератором. Это снижение КПД гидротурбин при переменных напорах (приводит к недовыработке электроэнергии), наличие запрещённых зон (нестационарность потока), ограниченная скорость регулирования активной мощности, недостаточные запасы динамической устойчивости и др.

Благодаря возможности быстрого и независимого управления активной мощностью и работе с переменной частотой вращения ротора у асинхронизированных гидрогенераторов (АСГГ) динамическая устойчивость сохраняется при (нормативных) возмущениях в энергосистеме. Изменение частоты вращения в пределах рабочего диапазона во время переходных процессов у АСГГ не приводит к потере «синхронизма». Именно этим объясняется значительный запас динамической устойчивости АСГГ по сравнению с СГГ.

 

Накопители

Некоторые специалисты считают применение АСМ экономически и технически неоправданным. (Косвенно это мнение подтверждается тем, что практически все ведущие зарубежные энергокомпании отказались от внедрения АСМ мощностью выше 100 МВт.) Даже если это так, отечественные наработки в данной области не пропадут впустую, поскольку на принципе АСМ вполне реально строить маховиковые накопители энергии. Асинхронизированная машина с маховиком на валу не требует мощного силового преобразователя, как обычный маховиковый накопитель. По данным НТЦ ФСК ЕЭС, такая машина способна работать в диапазоне частот вращения, равном половине синхронной частоты. Мощность накопителя на АСТГ может достигать 800-1600 МВт без заоблачного повышения его стоимости. Отметим также, что в России был разработан эскизный проект маховикового накопителя на основе АСМ вертикального исполнения мощностью 200 МВт.

Эта статья первоначально была опубликована в ноябрьском выпуске "Энерговектора" за 2016 г. здесь: http://www.energovector.com/files/ev11-2016.pdf



 

Редакция

Главный редактор: Иван Рогожкин
Консультант: Людмила Зимина
Корректор: Анатолий Печейкин
Дизайнер: Мария Хомутская
Руководитель проекта:
Максим Родионов

Контакты

Россия, 101000,
г. Москва, а/я 230.
Тел.: +7 (916) 422-95-19
Web-site: www.enegrovector.com
E-mail: oilru.com
facebook.com/energovector


©2011-2017. Ежемесячная газета «Энерговектор». Все права защищены.