Малая генерация и ЕЭС: кто для кого?

Умышленно в данной записи не использую понятие "распределённая генерация". Заменил его на "малая генерация", так как это более точно отражает суть проблемы, которой посвящён предлагаемый к ознакомлению материал.

В рамках Международной конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем-2017», прошедшей 25-28 апреля 2017 года в Санкт-Петербурге коллективом авторов из Новосибирского государственного технического университета А.Г. Фишовым, А.И. Марченко, Е.С. Ивкиным, Р.Ю Семендяевым представлен доклад на тему "Автоматика опережающего деления в схемах присоединения малой генерации к электрической сети".

Доклад очень своевременно освещает проблему доступа малой генерации к ЕЭС. Описывает риски для объектов малой генерации при их присоединении к электрической сети, особенности параллельной работы, способы параллельной работы на основе автоматического опережающего сбалансированого деления и автоматики управления режимом работы автономной системы энергоснабжения с внешней электрической сетью. Ниже основные доводы и выводы из него.

В настоящее время уже не требует доказательств целесообразность развития малой генерации в России как дополнение существующей централизованной энергетики. Особое место с учетом климатических особенностей страны занимает синхронная топливная когенерация, совмещающая производство тепловой и электрической энергии. Обладая высоким кпд, быстрыми сроками ввода и работая на различных топливных ресурсах, она позволяет решать задачи осуществления энергоснабжения на территориях, экономически невыгодных для традиционного централизованного энергоснабжения, утилизировать производственные и бытовые отходы, снижать потери и устранять локальные дефициты мощности в электрических сетях, обеспечивать энергоснабжение объектов газо и нефтопроводов и многие другие. Развитие малой генерации способно остановить и рост тарифов, создавая конкуренцию не только генерации, но и электрическим сетям.

Работа малой генерации в текущей модели функцонирования электроэнергетики не позволяет добиться максимальной экономической эффективности использования установленных мощностей, а ее включение в существующие централизованные сети, наряду с организационно-правовыми препятствиями, сдерживается отсутствием малозатратных технических решений по обеспечению безопасной работы.

Риски электрических сетей и энергоблоков малой генерации при параллельной работе связаны с:
- многократным ростом отключаемых токов КЗ в сети малой генерации,
- вероятности возникновения ударных динамических моментов на валах синхронных машин объектов малой генерации, способных вызвать их разрушение,
- невозможности обеспечить динамическую устойчивость их параллельной работы с сетью ввиду малой инерционности роторов машин,
- несогласованности работы РЗА электрических сетей и объектов малой генерации. 

Основным направлением развиия электроэнергетики должно быть обеспечение свободного присоединения малой генерации к электрическим сетям, переходом от централизованного диспетчирования на атоматическое управление на основе качественно новой системы управления,которая позволяет участвовать в регулировании режима и работе рынка электроэнергетики на недискриминационных условиях.

Предложения и результаты исследования по обеспечению безопасной параллельной работы автономной системы энергоснабжения с централизованной сетью с помощью специальной режимной и противоаварийной автоматики, использующей опережающее сбалансированное деление сети как основное противоаварийное управление подготовлены коллективом авторов на онове исследования энергоснабжения жилмассива г. Новосибирска на базе когенерационной электростанции (ТЭС), функционирующей в островном режиме.

Недостатки работы объекта генерации в островном режиме.

При эксплуатации автономной системы энергоснабжения проявились следующие особенности ТЭС:
- Существенное ограничение минимального значения нагрузки, обусловленное увеличением износа поршневой группы газопоршневого двигателя (до 50%). При снижении нагрузки ниже минимума система управления (не более 45 минут) сигнализирует о недопустимо низкой величине нагрузки, а после 60 минут инициирует останов ГПУ. Защита агрегата предотвращает закоксовывание выпускных клапанов и маслосъѐмных (поршневых), способное вызвать детонацию (и как следствие останов машины, возможен даже выход из строя подшипников)за счет того, что нагретые частицы в цилиндрах воспламеняют газовоздушную смесь раньше момента зажигания свечей.
- Скачкообразный наброс/сброс активной мощности даже без перегрузки генератора, может приводить к перегреву двигателя и к его отключению технологическими защитами. Это связано с конструктивными особенностями компрессора и системы подачи воздуха в двигатель. Внезапное отключение одного генератора, особенно в режиме максимальных нагрузок, может иметь каскадных характер, что уже неоднократно происходило.
- Система энергоснабжения на базе ТЭС ж/м Березовое в настоящее время присоединена к отпаечной ПС 110/10 кВ «Силикатная» двумя кабельными линиями 10 кВ длиной 2.4 км. Подстанция двухтрансформаторная. Трансформаторы по 16 МВА. Подстанция запитана отпайками от линий 110 кВ, одна из которых является тупиковой, а вторая входит с системообразующий контур сети Новосибирской энергосистемы. Подстанция разделена на стороне 110 кВ и 10 кВ.

Цели, предпосылки и условия объединение на параллельную работу
Целями объединение на параллельную работу автономной системы энергоснабжения и централизованной электрической сети является обеспечение надежного электроснабжения потребителей, а также повышение экономической эффективности ТЭС за счет выравнивания нагрузки и выдачи избытков мощности во внешнюю сеть.
Положительные эффекты от объединения для внешней электрической сети:
- Снижение потерь за счет разгрузки сети.
- Стабильное напряжение на шинах ПС присоединения за счет регуляторов напряжения ТЭС (нет необходимости в работе РПН).
- Возможность использования оперативного резерва мощности ТЭС на ПС присоединения (перевод на питание от ТЭС до 6 МВт нагрузки ПС присоединения).
Негативные последствия при постоянстве режима параллельной работы:
- Увеличение токов КЗ на ПС присоединения – до 20%, в сети 10 кВ ТЭС до 4-х кратного.
- Влияние токов подпитки от ТЭС на чувствительность ДЗ ЛЭП 110 кВ, питающих ПС присоединения.
- Риск возникновения недопустимых асинхронного режима, ударных моментов на валах энергоблоков ТЭС, отключения энергоблоков по параметрам обратной последовательности и обратной мощности.
- Риск возникновения уравнительных перетоков мощности при шунтировании шин ПС присоединения схемой электрической сети ТЭС.

Способ параллельной работы малой генерации в распределительной электрической сети

Способ направлен на ограничение токов КЗ, предотвращение нарушений устойчивости параллельной работы с возникновением асинхронных режимов, исключение ударных моментов на валах синхронных машин, исключения необходимости согласования защит внешней сети с защитами и автоматикой присоединяемой сети с ТЭС.

Идея способа – опережающее сбалансированное деление (ОСД3) системы по связям с внешней сетью при нарушениях нормального режима с переходом в островной режим работы с последующим автоматическим восстановлением синхронизма и нормального режима с требуемой загрузкой оборудования.

Описание. Способ описан на принципиальной схеме, соответствующей присоединению полустанции ТЭС к одной из шин 10 кВ ПС примыкания.

Система на основе МГ с собственной островной нагрузкой работает синхронно с электрической сетью в одном из трех режимов:
1) Режим с выдачей значимой мощности во внешнюю сеть (Рвыд = Рзад).
В этом режиме один из генераторов ТЭС (или несколько генераторов) несет нагрузку равную выдаваемой во внешнюю сеть мощность. Это условие поддерживается режимной автоматикой в нормальных условиях работы системы.
При возникновении внешнего или внутреннего для сети ТЭС КЗ, по факту снижения напряжения (например, на РП) или появления напряжения обратной последовательности, опережающим образом (менее уставок срабатывания защит внешней сети (за время до 0.1 с)) отключаются выключатели сечения S1 и генератора (выключатели генераторов группы А), обеспечивающих выдачу мощности во внешнюю сеть.
Если КЗ было внешним, то при таком делении сохранился баланс мощности в отделившемся острове и его работоспособность при переходе оставшихся генераторов в режим регулирования частоты.
Во внешней сети после деления восстановливаются условия работы РЗА, соответствующие отсутствию параллельной работы, поэтому не требуется согласование работы защит острова и внешней сети.
Если КЗ было внутренним с нарушением баланса после его отключения, то в отделившемся острове после восстановления напряжения автоматика действует на предотвращение нарушения недопустимого снижения или повышения частоты путем отключения части нагрузки, включения дополнительной нагрузки, изменения выдаваемой генераторами мощности. Этим обеспечивается сохранение работоспособности отделившейся части.
Восстановление системы (параллельной работы) осуществляется автоматически путем точной синхронизации при восстановлении нормальных условий (по напряжению и частоте с обеих сторон выключателя сечения для деления).
2) Режим без выдачи значимой мощности во внешнюю сеть (Рвыд = 0).
Режим является частным случаем первого. Отключения генераторов не требуется.
3) Режим потребления значимой мощности из внешней сети (Рвыд = -Рзад)
Если в исходном режиме сеть ТЭС была дефицитной (Рвыд = - Рзад), то деление будет происходить по сечению S2 с ликвидацией основного дефицита мощности отделившегося района путем отнесения части нагрузки (нагрузки РП) к внешней сети.

Таким образом, быстродействующее опережающее деление (деление до срабатывания РЗ и выключателей внешней сети) по фиксированным сечениям позволяет:
- полностью восстановить условия работы РЗ внешней сети после деления, соответствующие отсутствию подключения к сети ТЭС, т.е. исключить необходимость изменения РЗА внешней сети,
- сохранить неизменными отключаемые выключателями токи КЗ (кроме двух выключателей в сечении S1 и S2),
- радикальным образом предотвратить возможность нарушения устойчивости параллельной работы генераторов ТЭС с сетью,
- исключить возникновение на валах синхронных машин разрушительных динамических моментов из-за больших электромагнитных моментов, возникающих при восстановлении напряжения в сети после отключения кз с учетом выбега роторов генераторов.
Данный предложенный способ предлагается использовать для осуществления безопасной параллельной работы автономной системы энергоснабжения с централизованной электрической сетью.

Параллельная работа автономной системы с опережающим делением систем устраняет основную причину неустойчивой работы ТЭС, а именно, отключение энергоблоков защитной автоматикой при существенных по продолжительности набросах, сбросах мощности (около 100 кВт на каждый 2-х мегаватный блок). Такие набросы, сбросы возникают как в нормальных эксплуатационных режимах, так и при затяжных коротких замыканиях в сети, т.е. возникают достаточно часто, что и является основной причиной отключения энергоблоков и нарушения энергоснабжения в режиме автономной работы.
При параллельной работе набросы, сбросы мощности в эксплуатационных режимах распределяются между внешней ЭС и ТЭС, причем большую часть берет на себя ЭС, что исключает неустойчивую работу энергоблоков в нормальных эксплуатационных режимах, а сбалансированное деление – угрозы возникновения асинхронных режимов, недопустимых динамических моментов на валах СГ при коротких замыканиях во внешней сети.
Качество напряжения при присоединении регулируемой малой генерации повышается, как в части стабильности напряжения, так и в части его симметрии и синусоидальности. В режиме параллельной работы генераторы ТЭС поддерживают стабильное желаемое напряжение как на своих шинах, так и на шинах ПС присоединения, т.к. они оснащены регуляторами напряжения.

А.Г. Фишов, А.И. Марченко, Е.С. Ивкин, Р.Ю Семендяев "Автоматика опережающего деления в схемах присоединения малой генерации к электрической сети".