Способ обеспечения динамической устойчивости энергосистемы, включающей электрогенератор, нагрузку и систему накопления электрической энергии
METHOD OF PROVIDING DYNAMIC STABILITY OF POWER SYSTEM, WHICH INCLUDES ELECTRIC GENERATOR, LOAD AND SYSTEM FOR ACCUMULATING ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к области электротехники.
Наиболее близким техническим решением является «Автономная электростанция» RU 45056[1], включающая генератор конечной мощности и систему накопления электрической энергии.
При низких значениях мощности нагрузки электроэнергия направляется потребителю через дополнительные выпрямитель и инвертор. При увеличении мощности выше определенной величины электроэнергия направляется напрямую от генератора к потребителю через управляемый коммутатор, что повышает энергоэффективность устройства в целом.
Недостатком является невозможность обеспечения заданной скорости изменения мощности генерации при резком изменении мощности нагрузки, что приводит к изменению частоты в энергосистеме из-за локального изменения баланса производства и потребления электрической мощности, вызванного конечной скоростью регулирования системы управления генератора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение заданной скорости изменения мощности генерации при резком изменении мощности нагрузки, что приводит к стабилизации частоты, повышению эффективности, повышению ресурса генераторных установок.
Технический результат достигается тем, что способ обеспечения динамической устойчивости энергосистемы, включающей электрогенератор конечной мощности, нагрузку и систему накопления электрической энергии, включающую двунаправленный инвертор, накопитель энергии и систему управления, подключенные к выходу электрогенератора параллельно с нагрузкой, характеризуется тем, что дополнительно содержит датчик тока, измеряющий ток генератора, и датчик напряжения, измеряющий напряжение сети, система управления контролирует скорость нарастания  или убывания мощности генератора, в том случае, если скорость нарастания или убывания мощности генератора превосходит заданную величину, система накопления энергии выдает или потребляет мощность таким образом, что скорость нарастания или убывания мощности генератора остается в установленных пределах
К выходу генератора, параллельно с нагрузкой подключен двунаправленный инвертор с накопителем, с устройством управления и датчиками тока и напряжения, при этом датчики тока и напряжения фиксируют скорость нарастания (убывания) мощности, отдаваемой генератором, и, если скорость нарастания (убывания) мощности генератора превышает заданное значение, двунаправленный инвертор по команде устройства управления добавляет (потребляет) дополнительную (избыточную) мощность, обеспечивая тем самым требуемую скорость нарастания (убывания) мощности, вырабатываемой генератором.
При этом в качестве накопителя (устройства накопления) электрической энергии может использоваться батарея аккумуляторов или cуперконденсаторов, что позволит применить промышленно изготавливаемые устройства.
Система накопления электрической энергии, включающая двунаправленный инвертор, накопитель энергии, систему управления а также датчики тока и напряжения могут быть смонтированы внутри одного корпуса, что позволит ускорить монтаж устройства на объекте электроснабжения.
Способ обеспечения динамической устойчивости энергосистемы, включающей электрогенератор конечной мощности (ДГУ) и систему накопления электрической энергии (СНЭ) показан на: фиг. 1 (схема электрическая), фиг. 2 (направление потока мощности при компенсации скорости нарастания мощности генератора), фиг. 3 (направление потока мощности при компенсации скорости убывания мощности генератора), фиг. 4 (график отклонения частоты при работе ДГУ без СНЭ), фиг. 5 (график отклонения частоты при совместной работе ДГУ и СНЭ), где:
1 –электрогенератор;
2 – нагрузка;
3 –датчик тока;
4 – двунаправленный инвертор (входит в состав СНЭ);
5 – накопительный элемент (входит в состав СНЭ);
6 – СНЭ;
7 – устройство управления;
8 – датчик напряжения.
Энергосистема – совокупность генераторов и потребителей электрической мощности, соединенных между собой и связанных общностью режима и общим управлением этим режимом.
Динамическая устойчивость – способность энергосистемы сохранять синхронную работу генераторов при значительных внезапных возмущениях.
Система накопления энергии (СНЭ) – система, состоящая из преобразователя напряжения (двунаправленного инвертора) и накопительного элемента, которая по команде системы управления может обеспечивать выдачу или прием электрической мощности в соответствии с заданными алгоритмами. В зависимости от ситуации, СНЭ может выступать как генератором, так и потребителем электрической мощности.
- при этом СНЭ обеспечивает заданную скорость изменения мощности генерации при резком изменении (сбросе/набросе) мощности нагрузки;
- при этом стабилизируется частота сети;
- при этом обеспечивается динамическая устойчивость энергосистемы и устраняется риск выхода генераторов из синхронизма вследствие изменения частоты сети;
- при этом обеспечивается минимальный расход ресурса генераторных установок.
Данное изобретение предназначено для использования в изолированных системах электроснабжения на базе генераторов конечной мощности. Применяющиеся в качестве генераторов дизель-генераторные установки (ДГУ) или газо-поршневые установки (ГПУ) допускают лишь конечную скорость нарастания / убывания нагрузки. При резких изменениях величины нагрузки происходит значительное изменение частоты сети из-за локального дисбаланса производства и потребления электрической мощности, вызванного конечной скоростью реагирования системы управления генератора при изменении нагрузки, вследствие чего генератор может выйти из синхронизма и отключиться. Чтобы избежать этого неблагоприятного явления, в изолированных энергосистемах в качестве горячего резерва используются дополнительные генераторы, обеспечивающие необходимый запас мощности. Но применение дополнительных генераторов приводит к тому, что эти генераторы большую часть времени работают в неоптимальном режиме, зачастую с нагрузкой 30 – 40% и менее, что неблагоприятно сказывается на их ресурсе и расходе топлива. Использование данного метода стабилизации частоты позволяет устранить это противоречие.
Устройство действует следующим образом: к электрогенератору 1, параллельно с нагрузкой 2 подключена система накопления энергии 6. Датчик тока 3 фиксирует скорость изменения тока генератора, датчик напряжения 8 фиксирует напряжение сети. Устройство управления 7 опрашивает датчик тока 3 и датчик напряжения 8, и в каждый момент времени определяет скорость нарастания (убывания) мощности, выдаваемой генератором. Если скорость нарастания (убывания) мощности превосходит заданное значение, то устройство управление дает команду двунаправленному инвертору 4 на выдачу (прием) мощности. При этом в качестве источника недостающей (приемника избыточной) мощности используется накопительный элемент 5.
На рисунке фиг. 2 показаны процессы, которые протекают при нарастании мощности, потребляемой от генератора, на рисунке фиг.  3 – при снижении мощности, потребляемой от генератора.
Поскольку скорость реакции системы управления СНЭ на управляющее воздействие велика относительно скорости реакции системы управления генератора (ДГУ, ГПУ), то скорость реакции системы в целом определяется скоростью детектирования изменения тока генератора, то есть скоростью формирования управляющего сигнала системы управления СНЭ.
При этом не происходит перерегулирование генератора и изменение частоты сети. На фиг. 4 представлен экспериментально полученный график изменения частоты сети при набросе и сбросе нагрузки в диапазоне 20 – 90 кВт, в которой в качестве генератора используется ДГУ мощностью 100 кВА без СНЭ.
На фиг. 5 представлен график отклонения частоты при набросе и сбросе мощности нагрузки 20 – 90 кВт при работе ДГУ 100 кВт при совместной работе со СНЭ в режиме компенсации dP/dt.
Видно, что при набросе мощности нагрузки от 20% до 90% происходит провал частоты минус 3,5 Гц, при сбросе мощности от 90% до 20% – всплеск частоты плюс 3,5 Гц. В случае использования СНЭ в режиме компенсации dP/dt происходит снижение значения максимального диапазона изменения частоты до минус 1,2 … плюс 1,8 Гц, то есть более чем в два раза.
Таким образом, применение способа компенсации скорости наброса и сброса мощности нагрузки путем ограничения скорости нарастания мощности, забираемой от генератора, позволяет уменьшить изменение частоты в изолированной энергосистеме до приемлемого уровня, и, тем самым, эффективно обеспечить динамическую устойчивость энергосистемы.
Технический результат – обеспечение заданной скорости изменения мощности генерации при резком изменении мощности нагрузки обеспечивается применением схемы регулирования двунаправленным инвертором с накопительным элементом с участием датчика тока генератора и датчика напряжения сети. При обеспечении заданной скорости изменения мощности генерации стабилизируется частота, обеспечивается динамическая устойчивость изолированной энергосистемы, отпадает необходимость в избыточной мощности, что ведет к повышению ресурса генераторных установок.
Промышленная применимость. Заявляемое конструкторско-техническое решение может с успехом применяться для стабилизации изолированных систем электроснабжения.