Ученые Томского политехнического университета изучают проблемы изменения инерции в энергосистемах
Ученые ТПУ проводят исследование электромеханических переходных процессов в ветроэнергоустановках третьего и четвертого типа, а также их влияния на инерцию энергетической системы в целом и алгоритмы виртуальной инерции.
Политехники планируют разработать методику настройки устройств автоматики для предотвращения аварий с учетом влияния возобновляемых источников энергии на изменение инерции в энергосистеме. Исследования поддержаны грантом президента РФ.
Энергосистемы с традиционными источниками энергии имеют проверенную опытом систему релейной защиты и автоматику, которые позволяют отслеживать аварийные ситуации и вовремя на них реагировать. Однако в современные энергосистемы внедряется электрооборудование (газотурбинные установки, системы возобновляемой энергии), которое значительно меняет их динамические свойства — увеличивает скорость протекания процесса за счет снижения инерции.
«В Европе и США массово внедряются новые типы энергоустановок, которые вносят меньший вклад в суммарную инерцию энергосистемы, поскольку подключаются к сети через преобразователи напряжения. В Германии больше 50 % энергосистемы выстроено на возобновляемых источниках энергии, в Дании — порядка 80 %. Однако системы противоаварийной автоматики в таких установках могут быть нечувствительными к быстро происходящим изменениям», — говорит доцент отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ Игорь Разживин.
Ученые ТПУ провели серию испытаний на учебной модели, эквивалентной энергосистеме Томской области: имитировали аварийные ситуации (короткие замыкания, сброс нагрузки и др.), варьируя уровень внедрения мощности ветроэнергетических установок. Эксперименты показали, что с внедрением в энергосистему ветроэлектростанций инерция может снизиться вплоть до 50 %, в зависимости от внедряемой мощности.
«Популярным методом расчета и оценки рисков является математическое моделирование. Однако существует фундаментальная проблема, влияющая на достоверность воспроизведения процессов. Поэтому в исследовании мы использовали разработку ТПУ — многопроцессорную программно-аппаратную систему «Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС». Заложенные в нем принципы построения модели энергосистемы гарантируют точность решения», — поясняет ученый.
Ученые также провели ряд экспериментов с алгоритмом виртуальной инерции, который зарубежные коллеги считают возможным решением проблем снижающейся инерции. Его суть в «синтетическом» поддержании инерции за счет дополнительной системы управления преобразователями напряжения. Исследование показало, что алгоритм при изменении уровня мощности и коэффициентов настройки может оказывать отрицательный эффект.
«Для России это актуальный вопрос, так как у нас постепенно начинают внедрять возобновляемые источники в объединенную энергосистему. Сегодня на юге страны внедряются ветро- и солнечные электростанции, в планах суммарной мощностью до 1 ГВт (это мощность сравнима с четырьмя ГРЭС-2 в Томске). Но процесс их подключения в сеть не простой и требует тщательных предварительных исследований. В российской энергетике пока такими проблемами, связанными с изменениями инерции в энергосистеме и вопросами ее варьирования, не занимаются», — объясняет Игорь Разживин.
Политехники планируют создать универсальный специализированный гибридный процессор, который смоделирует и воспроизведет ветроэнергетическую установку третьего и четвертого типа и солнечную установку. На основе этой модели и моделирующего энергетического комплекса ТПУ ученые создадут большую энергосистему. Ее преимуществом станет гибридный подход: моделирование на цифровом, аналоговом и физическом уровнях. Благодаря этому удастся минимизировать погрешность и подробнее изучить влияние возобновляемых источников энергии на энергосистему в целом.
Исследование проводится в рамках гранта Президента РФ и рассчитано на два года. Над ним работают сотрудники отделения электроэнергетики и электротехники ТПУ: доцент Игорь Разживин, а также два аспиранта — Владимир Рудник и Антон Киевец.