Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика

Цифровые измерительные органы в микропроцессорных защитах электроустановок реализуются в основном с использованием ортогональных составляющих входных сигналов. Для формирования ортогональных составляющих в микропроцессорных защитах наиболее широко применяются цифровые фильтры Фурье, действие которых в переходных режимах всегда инерционно. Вследствие этого появляется динамическая погрешность, изменяющаяся с течением времени и полностью исчезающая при наступлении установившегося режима. Она состоит из амплитудной и фазовой погрешностей, которые могут существенно влиять на функционирование цифровых измерительных органов и создавать условия для их излишних срабатываний при внешних коротких замыканиях и замедления срабатывания при внутренних коротких замыканиях. Для компенсации динамической погрешности предлагается определять амплитуду и фазу сигнала основной гармоники по специально сформированным ортогональным составляющим. Разработан метод формирования ортогональных составляющих сигнала с коррекцией динамических амплитудной и фазовой погрешностей. Он основывается на использовании ортогональных составляющих цифрового фильтра Фурье с последующим определением по их выборкам итоговых ортогональных составляющих, которые совпадают с первыми в установившемся режиме и сдвинуты по фазе по отношению к последним в переходном режиме. По выборкам итоговых ортогональных составляющих в цифровом измерительном органе вычисляются амплитуда и фаза сигнала с минимальными динамическими фазовыми погрешностями. В среде динамического моделирования MATLAB-Simulink-SimPowerSystems реализована цифровая модель, в состав которой входят энергосистема, трехфазная группа трансформаторов тока, нагрузка, блок короткого замыкания, а также модель цифрового измерительного органа, реализованная на основе итоговых ортогональных составляющих. Проверка функционирования цифровой модели проводилась с использованием двух видов тестовых воздействий – синусоидального сигнала с частотой 50 Гц, а также сигнала, приближенного к реальному вторичному току трансформатора тока при коротком замыкании. Расчеты показали, что цифровые измерительные органы, выполненные на основе предложенной методики, позволили снизить относительные динамические амплитудную и фазовую погрешности в три-четыре раза по сравнению с измерительным органом Фурье, принятым за эталон.

Предложена методика оптимизации компоновки ветроэлектростанций морского базирования для повышения их эффективности за счет снижения влияния эффекта аэродинамического затенения, минимизации электрических потерь в кабельных линиях системы приема и передачи электрической энергии, вырабатываемой ветроэлектрическими установками в электрическую сеть энергосистемы. Задача сводится к определению нескольких параметров, которыми задаются геометрические размеры и форма компоновочной сетки с предварительно установленными местами расположения турбин. Такой подход, в отличие от покоординатного метода поиска, дает возможность выполнять построение симметричных сеточных схем расположения ветроэлектрических установок, которые на практике более удобны с точки зрения обслуживания и эксплуатации. Совместно с оптимизацией компоновки производятся поиск оптимального места расположения морской трансформаторной подстанции и синтез схемы кабельных соединений между ветроэлектрическими установками. Для решения данной задачи используется эвристический алгоритм поиска минимального остовного дерева с ограничением на проводимость связей, позволяющий осуществлять построение реалистичных схем и более адекватно оценивать их технико-экономические характеристики. Как показали результаты апробации предложенной методики на примере оптимизации компоновки ветроэлектростанции Horns Rev 1, использование такого подхода позволило сократить стоимость электрической системы на 10–12 %. Это на 7–11 % превосходит результат, полученный при использовании MST-алгоритма, выполняющего построение схемы кабельных соединений упрощенной топологии. Изменение размеров и формы границ площадки ветроэлектростанции привело к увеличению расчетной выработки электроэнергии на 2,3 % и снижению ее себестоимости на 4 %. При оптимизации компоновки ветроэлектрических установок в пределах фиксированных границ площадки эти показатели улучшены только на 1 и 2 % по сравнению с оригинальной схемой.

К установкам, связанным с регулируемыми источниками постоянного тока, предъявляется ряд требований, среди которых малые пульсации напряжения и тока в нагрузке, а также широкий диапазон изменения выходного тока. Такие установки традиционно строятся на управляемых выпрямителях или широтно-импульсных преобразователях, в которых всегда присутствуют пульсации напряжения. В статье рассмотрен метод снижения пульсаций напряжения мощных выпрямителей для питания магнитных систем, основанный на введении в цепь нагрузки компенсирующего напряжения, равного по величине и противоположного по фазе напряжению пульсаций. Показана возможность применения компенсаторов пульсаций, подключаемых параллельно и последовательно с нагрузкой. Приведены методы получения компенсирующего напряжения. Для исключения подмагничивания трансформатора компенсатора пульсаций предлагается применять несколько вариантов его исполнения и включения. Проанализированы практические схемы пассивных компенсаторов (с цепью размагничивания и бифилярной обмоткой). Рассмотрена проблема разработки компенсаторов пульсаций для многофазных выпрямителей, а также пути ее решения. Приведены практические рекомендации по выбору материала сердечника и расчету трансформатора. На основе теоретических и практических соображений по проектированию компенсаторов пульсаций разработаны имитационные модели в пакете Simulink программы MATLAB. Представлена методика исследования компенсаторов пульсаций на разработанных имитационных моделях симметричного 12-пульсного выпрямителя. Результаты имитационного моделирования пассивных компенсаторов пульсаций, выполненных в двух вариантах, показали их эффективность при относительно несложной схеме и невысоких экономических затратах. Время установления заданного тока в системе при наличии компенсатора пульсаций увеличивается не более чем на 3 %, а точность и стабильность работы не изменяются.

В статье рассмотрено подавление хаотических колебаний в малых энергосистемах, возникающих в аварийных режимах и приводящих к явлению коллапса напряжений, что соответствует процессу падения напряжения в сети, которое может сопровождаться полным отключением области поражения. Представлен разработанный метод, позволяющий изменить спектр характеристических показателей Ляпунова и преобразовать хаотические колебания в малой энергосистеме к регулярным динамическим режимам. Метод синтеза управляющих воздействий основан на теореме о топологической эквивалентности гиперболических нелинейных систем и их линеаризованных моделей и использовании численного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих поведение энергосистем, с целью построения фазового портрета и вычисления характеристических показателей Ляпунова. Результаты работы заключаются в синтезе обратной связи, обеспечивающей формирование спектра характеристических показателей Ляпунова с отрицательными значениями. Подавление хаотических режимов происходит путем формирования в замкнутой системе спектра отрицательных характеристических показателей Ляпунова. Параметры регулятора в цепи обратной связи определяются методом модального управления на основе решения матричного алгебраического уравнения Сильвестра. Рассмотрено решение задачи перехода от хаотического режима к регулярному движению в системе малой энергетики. Для проверки работоспособности предлагаемого метода подавления хаоса вычислен спектр характеристических показателей Ляпунова и построены траектории в фазовом пространстве исходной нелинейной системы и системы с управляющим воздействием. В энергосистемах с хаотической динамикой синтезированная обратная связь позволяет подавить хаотические колебания и перейти к регулярным режимам, тем самым предупреждая возникновение аварийных режимов.

В статье представлен разработанный авторами адаптивный генетический алгоритм, позволяющий оптимизировать топологию электрической сети с распределенной генерацией на основе биоинспирированных методов. Объекты исследования – 15-узловая схема электрической сети с фотоэлектрическими станциями и 14-узловая дополненная схема IEEE с источниками распределенной генерации (три ветровые и две фотоэлектрические станции). Моделирование режимов электроэнергетических систем выполнено с использованием находящейся в открытом доступе библиотеки Pandapower для языка программирования Python. Рассмотрены три типа электрической нагрузки потребителей, отражающие характер потребления электроэнергии в узлах реальных электроэнергетических систем, приведены результаты численных исследований. В предложенном генетическом алгоритме применены две различные функции скрещивания, функции мутации, отбора лучших индивидов и массовой мутации (полного обновления популяции). В конце каждой итерации работы алгоритма выводятся статистические зависимости, характеризующие его работу: лучшая (минимальные потери) и средняя приспособленность в популяции, список лучших индивидов на протяжении всех итераций и т. д. Верификация производилась в сравнении с результатами, полученными методом полного перебора возможных радиальных конфигураций системы, и показала, что разработанный генетический алгоритм обладает быстрой сходимостью, высокой точностью и способен корректно работать при различных конфигурациях схем электрических сетей, структурах генерации и нагрузки. Алгоритм может применяться совместно с системами прогнозирования ВИЭ-генерации на сутки вперед при планировании режимов работы энергообъединений с целью минимизации издержек на покрытие потерь электроэнергии и улучшения качества отпускаемой электроэнергии.

В статье представлены результаты расчетных и экспериментальных исследований термохимической конверсии древесной биомассы с получением жидких продуктов пиролиза с учетом скорости их охлаждения. Приведена методика расчета оптимальных режимных параметров (температуры и скорости охлаждения) технологического процесса. Предложено выражение для определения расхода древесного сырья в зависимости от температуры термохимической конверсии. Отмечено, что массовый выход жидких продуктов пиролиза из реактора слабо зависит от температуры и равен примерно 0,45 в диапазоне от 573 до 923 К. Для оценки влияния скорости их охлаждения использовано дифференциальное уравнение третьего порядка для модели, лимитированной скоростью реакции. Показано, что при охлаждении жидких продуктов пиролиза степень их конверсии стремится к определенному значению, отличному от 1. Получены расчетные данные по зависимости степени конверсии жидких продуктов пиролиза древесины от времени при различной скорости их охлаждения и температуре термохимической конверсии биомассы. Установлено, что отношение массового выхода охлажденных жидких продуктов пиролиза к начальной загрузке пиролизного реактора позволяет найти оптимальные условия охлаждения первичных продуктов пиролиза биомассы, осуществляемого при определенных температурах. Представлены графики зависимости указанного параметра от температуры процесса термохимической конверсии древесной биомассы для различных скоростей охлаждения. Показано, что максимально возможный их выход обеспечивается при температуре в реакторе 923–973 К и скорости охлаждения 700000–1200000 град./мин. Однако установление такой скорости – достаточно сложная техническая задача. Поэтому при осуществлении технологий получения жидких продуктов пиролиза ограничиваются температурами 773–800 К, при которых можно достичь практически реализуемой скорости охлаждения первичных продуктов разложения биомассы.

В России, как и во всем мире, имеются районы, испытывающие различные проблемы с теплоснабжением, главным образом обусловленные высокой стоимостью органического топлива, ростом тарифов и загрязнением окружающей среды. В связи с этим поиск путей, способствующих энергосбережению и повышению энергетической, экономической и экологической эффективности работы современных систем теплоснабжения, становится жизненно важным. Один из них заключается в освоении и вовлечении в топливно-энергетический баланс особых видов энергии, к числу которых относятся возобновляемые источники энергии, в частности энергия ветра. В статье рассмотрен способ решения проблемы теплоснабжения, направленный на удовлетворение потребности в тепловой энергии целого поселка, путем использования ветроэнергетических установок совместно с котельной, работающей на мазуте. Выполнена оценка эффективности сооружения ветроэнергетических установок общей мощностью 1,7 МВт на нужды теплоснабжения поселка Териберка, расположенного на побережье Баренцева моря в России. Выбранный район характеризуется среднегодовой скоростью ветра 7,0 м/с и длительным отопительным периодом (9–10 месяцев в году). Как показали исследования, с финансовой точки зрения сооружение ветроэнергетических установок является оправданным: к завершению их планового срока службы может быть сформирована дополнительная прибыль, достигающая половины суммы первоначальных инвестиций. Ожидается, что полученные результаты восполнят недостаток информации о целесообразности сооружения ветроэнергетических установок на нужды теплоснабжения, что весьма полезно для других стран, в которых имеются похожие районы, испытывающие различные проблемы с теплоснабжением.