Состояние современной электроэнергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Состояние современной электроэнергетики

Введение

Стратегическая задача реформирования технических возможностей электроэнергетической отрасли страны заключается в обеспечении ее устойчивого развития на основе прогрессивных технологий и рыночных принципов функционирования, а также надежного и эффективного удовлетворения спроса на электрическую энергию в краткосрочной и долгосрочной перспективах.

Устойчивость применительно к электрической системе - это способность её вернуться к исходному или новому установившемуся состоянию, после устранения возмущающего действия, без возникновения несинхронного вращения роторов генераторов системы. Если величина возмущающего действия мала, то говорят о статической устойчивости. При значительном возмущении в системе, например, при коротком замыкании, говорят о динамической устойчивости.

1. Интеллектуальные энергетические системы: технические возможности и эффективность

Надежное и эффективное управление режимом электроснабжения на всех уровнях диспетчерского управления в новых, более сложных экономических и технических условиях работы энергосистем требует создания принципиально новой системы сбора и обработки огромного объема информации, разработки автоматизированных модулей для решения конкретных задач сложного процесса оперативно-диспетчерского управления ЕЭС России. Решить эту задачу возможно на основе использования концепции интеллектуальных систем управления, разрабатываемых в последние годы и применяемых в зарубежных энергетических компаниях.

Отдельные элементы подобной интеллектуальной управляющей инфраструктуры уже создаются отдельными компьютерными компаниями, например IВМ, где разрабатываются динамические инфраструктуры, гибкие и модульные, отвечающие любым потребностям, в том числе и требованиям управления ИЭС.

Основными элементами этих динамических инфраструктур являются:

- виртуализация и сервис-ориентированная архитектура (SОА);

- программное обеспечение как сервис (Grid Computing and Software as a Service);

- интегрированный комплекс информационных ресурсов (Cloud Computing), который уже существует на рынке.

Однако эффективное применение подобных интеллектуальных управляющих систем возможна только в соответствующих технологических инфраструктурах, требованиям которых реальные инфраструктуры отечественной энергетики не полностью соответствуют.

Концепция создания ИЭС рассчитана на увеличение совокупности потребляемых энергетических ресурсов, имеющих непостоянный, но возобновляемый энергетический потенциал во времени, что характерно для нетрадиционных источников энергии -- солнца, ветра, приливов и отливов и др. Эффективное их использование требует разработки новых, гибких стратегий управления режимами энергетических систем, удовлетворяющих не только требованиям получения минимальных затрат, на и технологической безопасности оборудования, статической и динамической их устойчивости.

Нетрадиционные источники энергии в российской энергетике используются в весьма малой степени (в пределах 1%) и, как правило, не имеют электрических связей с энергосистемами, являясь децентрализованными и маломощными. Присоединение их к существующим энергосистемам с весьма малой и удаленной непостоянной нагрузкой при устаревшей технической инфраструктуре существующих энергосистем экономически нецелесообразна и весьма рискованно, поскольку приводит к изменению режима работы основного оборудования энергосистем (увеличение его пусков и остановок, рост термодинамических нагрузок, вызывающих усталость оборудования), снижению надежности его работы и другим последствиям.

Малая доля применения нетрадиционных ВИЭ в российской энергетике в настоящее время объясняется, в первую очередь, указанной выше экономической причиной: потенциальные экономические выгоды минимальны, а риски реальны и последствия их проявления в энергосистемах весьма высокие.

Поэтому создание интеллектуальных энергосистем позволило бы существенно повысить использование возобновляемых источников энергии в отечественной энергетике и в целом повысить энергетическую безопасность страны.

Поэтому создание интеллектуальных энергосистем позволило бы существенно повысить использование возобновляемых источников энергии в отечественной энергетике и в целом повысить энергетическую безопасность страны.

Управление интеллектуальными энергосистемами требует высочайшей квалификации управленческого персонала и строжайшего соблюдения технологической дисциплины, независимо от того, какие функции он будет исполнять: непосредственного участника процесса управления или контролера.

Существующая система превалирования личных экономических интересов собственников компаний над общественными интересами не позволяет использовать высокий экономический и технологический потенциал отечественной энергетики в интересах общества в целом. Об этом свидетельствуют катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС, аварии с самолетами в авиационных компаниях и шахтах страны, где ради высокой прибыли собственников управленческий персонал часто пренебрегает безопасностью, не соблюдает технологические регламенты и требования по сервисному обслуживанию оборудования, нанося тем самым непоправимый ущерб технологическому имиджу России.

В настоящее время в стране сложилась уникальная ситуация, когда одновременно и в кратчайшие сроки требуется технологическое перевооружение отечественной электроэнергетики, резкое снижение энергоемкости выпускаемой продукции и оказываемых услуг, а также увеличение доступа населения к электроснабжению в регионах, не охваченных централизованным энергоснабжением.

Отличительными особенностями национальной программы ИНИРЭР по сравнению с ЭСР -- 2030 должна быть подробная разработка потребности в энергии по ее видам не только в масштабе страны, но и по каждому ее субъекту, а также конкретная привязка новых энергетических мощностей к определенным регионам с подробными их технико-экономическими характеристиками и указанием конкретных источников инвестиций, сроков их представления, ответственных лиц за реализацию инвестиционных проектов конкретных энергетических объектов и их конечные результаты.

2. Рынок электрической энергии в России: состояние и проблемы развития

энергетический интеллектуальный аварийный электрический

Электроэнергетика относится к естественной монополией, ценообразование которой регулируется государством (федеральными и региональными службами по тарифам). Тарифное регулирование является фактором, ограничивающим эффективность российских генерирующих компаний.

Спрос на электроэнергию в конкретном регионе зависит, прежде всего, от его экономического и промышленного развития, плотности населения, природно-климатических условий, что обуславливает весьма неравномерное распределение спроса по территории России.

Генерирующий сектор электроэнергетики России сталкивается с таким проблемами, как высокий уровень износа генерирующих мощностей, низкий уровень КПД тепловых электростанций, низкая производительность труда, обусловленная наличием избыточного персонала, а также моральный и физический износ оборудования.

Атомные электростанции

Атомные электростанции (АЭС), как правило, размещают в экономически развитых районах с высоким уровнем потребления электроэнергии.

На сегодняшний день в нашей стране эксплуатируется 10 атомных электростанций - в общей сложности 31 энергоблок установленной мощностью 23,2 ГВт, которые вырабатывают около 11% всего производимого электричества. В стадии строительства еще 5 АЭС.

К недостаткам атомных станций относятся:

С точки зрения статистики и страхования крупные аварии маловероятны, однако последствия такого инцидента крайне тяжёлые.

Значительные капитальные вложения на строительство станции и необходимой инфраструктуры, а также в случае возможной ликвидации.

Гидроэлектростанции

Тем не менее, объекты гидрогенерации обладают рядом недостатков, таких как сезонный характер выработки, зависимость объемов выработки от погодных условий. В большинстве случаев, крупные гидроэлектростанции находятся далеко от основных потребителей. Кроме того, при строительстве ГЭС зачастую происходит затопление значительных территорий.

В настоящее время на территории России работают 102 гидростанции мощностью свыше 100 МВт, одна ГАЭС (Загорская гидроаккумулирующая электростанция). Общая установленная мощность гидроагрегатов на ГЭС в России составляет примерно 46 ГВт (5 место в мире).

Инвестиционный цикл строительства ГЭС более продолжителен, чем в тепловой и атомной генерации.

Тепловые электростанции

Помимо электроэнергии, тепловые станции вырабатывают тепло в виде горячей воды или пара. Такая система является довольно непрактичной, т. к., в отличие от электрокабеля, надежность теплотрасс на больших расстояниях чрезвычайно низка.

Ветровые электростанции

Установленная мощность ветряных электростанций в стране в настоящее время составляет около 16,5 МВт, суммарная выработка не превышает 25 млн. кВт/ч в год.

В отраслевой структуре потребления электроэнергии развитых регионов преобладают производственный и добывающий сектор, обеспечивающие, как правило, устойчивый спрос на электроэнергию.

С учётом вышеизложенного, начиная с 2011 г. прогнозируется появление неудовлетворённого энергетического спроса, который будет нарастать и к 2050 г. составит более 5 млн. т нефтяного эквивалента.

3. Анализ аварийных электрических режимов в электроэнергетической системе и расчет управляющих воздействий: расчеты статической устойчивости электроэнергетической системы

При анализе режимов работы электроэнергетических систем (ЭЭС) возникает потребность в большом количестве расчетов, связанных с решением нелинейных уравнений их состояния. Такие расчеты проводятся для обеспечения требуемых коэффициентов запаса по статической и результирующей динамической устойчивости параллельной работы энергоузлов, для решения вопросов о местах установки и для формирования дозированных воздействий на разгрузку электростанций и отключения нагрузки для сохранения устойчивости в аварийных и послеаварийных режимах.

В электроэнергетической системе могут иметь место установившиеся и переходные режимы. В установившемся режиме реальной системы его параметры постоянно меняются, что связано со следующими факторами:

- изменением нагрузки и реакцией на эти изменения регулирующих устройств;

- нормальными эксплуатационными изменениями схемы коммутации системы;

- включением и отключением отдельных генераторов или изменением их мощности.

Таким образом, в установившемся режиме системы всегда есть малые возмущения параметров ее режима, при которых она должна быть устойчива.

Основной задачей электроэнергетической системы является поддержание устойчивости данного режима.

Статическая устойчивость - это способность системы восстанавливать исходный (или близкий к исходному) режим после малого его возмущения.

Аварийные режимы в электрической системе возникают при КЗ, аварийных отключениях нагруженных агрегатов или линий и т.п. Под действием больших возмущений возникают резкие изменения режима.

Динамическая устойчивость - это способность системы возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после большого возмущения.

Различают три основных вида расчетных режимов:

- нормальный установившийся, применительно к которому проектируется система и определяются технико-экономические характеристики;

- послеаварийный установившийся режим, наступает после аварийного отключения поврежденного элемента, в этом режиме система работает с несколько худшими технико-экономическими характеристиками;

- переходный режим, во время которого система переходит от одного состояния к другому.

Эффективным способом решения задачи обеспечения устойчивости электроэнергетических систем (ЭЭС) является широкое внедрение систем автоматического регулирования и управления. Создание эффективных систем автоматического управления даёт значительный экономический эффект и равносильно введению дополнительных мощностей и использованию дополнительных материальных ресурсов. Альтернативные варианты обеспечения статической устойчивости, а именно: ограничение рабочих и послеаварийных режимов системы, либо применение капиталоёмких мероприятий по повышению пропускной способности электропередач, нерациональны, так как могут существенно ухудшить экономичность работы ЭЭС.

В настоящее время основным мероприятием по обеспечению статической устойчивости ЭЭС является использование автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов электростанций.

Критерий статической устойчивости одномашинной СЭС

Мощность турбины зависит от количества энергоносителя и в координатах Р, д изображается прямой линией.

При определенных значениях ЭДС генератора Е и напряжения приемной системы U характеристика мощности имеет максимум, который вычисляется по формуле

Р_max = (1)

Иногда эту величину называют «идеальным» пределом мощности простейшей электрической системы. Заданному значению мощности турбины соответствуют две точки пересечении характеристик а и b (рис. 2.2,а), в которых мощности генератора и турбины уравновешивают друг друга.

Рассмотрим режим работы в точке a. Если мощность генератора по какой-либо причине изменится на величину ДР, то и угол д, следуя синусоидальной зависимости, изменится на Дд. Из рисунка 3.1,а следует, что в точке а положительному приращению мощности соответствует положительное приращение угла. Что же касается мощности турбины, то она не зависит от угла д и при любых его изменениях остается постоянной и равной Р₀.

При изменении мощности генератора равновесие моментов турбины и генератора нарушается. При увеличении мощности генератора на валу, связывающем его с турбиной, возникает избыточный тормозящий момент, поскольку тормозящий момент генератора преобладает над вращающим моментом турбины. Под влиянием тормозящего момента ротор генератора начинает замедляться, что вызывает перемещение ротора и связанного с ним вектора ЭДС в сторону уменьшения угла д (рис. 3.1,б). В итоге в точке а восстанавливается исходный режим работы и, как следует из определения статической устойчивости, этот режим является устойчивым. Такой же вывод можно получить и при уменьшении мощности генератора в точке а.

В точке в отрицательному приращению мощности генератора соответствует положительное приращение угла. При уменьшении мощности генератора на валу возникает ускоряющий избыточный момент, который увеличивает угол д. С ростом угла мощность генератора падает, это увеличивает ускоряющий момент, т.е. возникает лавинообразный процесс, называемый выпадением генератора из синхронизма. Процесс выпадения из синхронизма и асинхронный режим, в котором в итоге оказывается генератор, характеризуются непрерывным перемещением вектора ЭДС относительно напряжения приемной системы (рис. 3.1,в). Если в точке в возникнет тормозной избыточный момент (мощность генератора увеличится), то он вызовет перемещение рабочей точки системы турбина - генератор в точку а.

Таким образом, точка а характеристики мощности является точкой устойчивого равновесия, точка b - точкой неустойчивого равновесия моментов турбины и генератора. Поэтому все точки, лежащие на возрастающей части характеристики мощности, являются точками устойчивой работы системы, а точки, лежащие на падающей части характеристики, точками неустойчивой работы.

Рисунок 1 - определению критерия статистической устойчивости простейшей системы: а- характеристика мощности; б - отклонение вектора ЭДС от состояния равновесия; в - выпадение из синхронизма; г - механическая интерпретация

Границей зон устойчивой и неустойчивой работы является максимум характеристики мощности.

Механическим аналогом рассматриваемой системы с точки зрения статической устойчивости может служить шарик, помещенный на изогнутую поверхность так, как это показано на рисунке 3.1, г. Положение точки а устойчиво, так как любое (даже незначительное) перемещение шарика влево или вправо заканчивается его возвращением в исходную точку. Положение в неустойчиво, так как малейшее отклонение от этого положения вызовет переход шарика в новое положение.

Формальным признаком статической устойчивости электрической системы может служить знак приращения мощности к приращению угла. Если то система устойчива, если это отношение отрицательно, то неустойчива. Переходя к пределу, можно записать критерий статической устойчивости простейшей системы:

(2)

Увеличение мощности турбины от значения Р₀ до Р₀' (рис. 3.1, а) приводит к возрастанию угла ротора до значения д₀' и уменьшению запаса статической устойчивости, который определяется следующим образом:

(3)

Запас устойчивости электропередачи, связывающей станцию с шинами энергосистемы, должен быть не менее 20 % в нормальном режиме и 8% в кратковременном послеаварийном.

Заключение

Аварии, связанные с нарушением устойчивости работы электрических машин в электрических системах, влекут за собой расстройства электроснабжения больших районов и городов. Ликвидация таких аварий и восстановление нормальных условий работы электрических систем представляют большие трудности, требуют много времени и усилий оперативного персонала. При сравнительно небольшом числе аварий, вызывающих нарушение устойчивости, наибольший аварийный недоотпуск энергии падает именно на этот вид аварий. Тяжелые последствия таких аварий заставляют уделять значительное внимание вопросам обеспечения должного уровня устойчивости как при проектировании электрических станций, так и при их эксплуатации.

Электрическая система должна работать надежно. Одним из условий надежной работы является ее устойчивость, под которой понимается способность системы восстанавливать нормальный режим работы после большого или малого возмущения режима системы. Основными параметрами, по которым судят об устойчивости системы, являются скорости вращения входящих в нее синхронных машин. В нормальном режиме эти скорости у всех синхронных машин одинаковы, постоянны и равны синхронной.

Библиографический список

1. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение эл.энергии. Ростов-на-Дону, 2008г.

2. Караев Р.И. и др., Электрические сети и энергосистемы. М.1988.

3. Журнал Академия Энергетики №2(34) апрель 2010.

4. Журнал Академия Энергетики №3(35) июнь 2010

5. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 г). М., 2009.

6. Окороков Р. В. Интеллектуальные системы - средство управления режимом электроснабжения на энергетическом рынке / Сб. «Экономика, экология и общество в 21-м столетии». Труды 7-й Межд. научно-практ. конф. Часть 11. Изд-во Политехн. ун-та, 2005.

Размещено на Allbest.ru