Лекции. Лекции НЭЭ 27.09.2021. Конспект лекций для специальности 5В071800 Электроэнергетика Алматы 2021 алматинский университет энергетики и
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
Лекция 13 4 8 Накопители энергии в электрических системах. Газотурбинные электростанции и установки. В Советском Союзе разработан технический проект аварийно-пиковой ГТЭС мощностью 140 МВт с использованием авиадвигателей РД-3М-300, рассчитанной на работу в течение 1000 ч/год. Одним из важнейших требований к ГТУ является увеличение их единичной мощности. В СССР с 1970 г. на Красноярской ТЭЦ работает ГТУ мощностью 100 МВт. В США проектируется объединение блочных ГТУ в группы мощностью до 80 МВт и более. Мощность таких ГТЭС достаточна для резервирования практически любого узла нагрузки. Удельная стоимость установленной мощности ГТЭС на 30—40% меньше, чем на современной паротурбинной станции. Специальных требований к установке ГТЭС не предъявляется, поэтому их можно располагать близко к узлам нагрузки, что значительно повышает экономичность таких станций [43]. * Это возможно только при наличии глушителей, поскольку ГТУ создают весьма высокий уровень шума. При проектировании и эксплуатации ГТЭС как пиково-резервных можно получить дополнительные преимущества: - сокращение капиталовложений на ЛЭП от базовых ЭС; -уменьшение потерь электроэнергии в ЛЭП, что особенно важно в часы пик. Недостатками ГТУ являются: - невысокий КПД установок; - использование дорогого дефицитного жидкого или газового топлива, что в условиях резкого повышения цен на него недопустимо; - необходимость в звукоизоляции и принятии защитных мер от загрязнения воздуха отработанными газами; - невозможность участвовать в заполнении провалов графика нагрузки. Существенное уменьшение расхода топлива и повышение отдаваемой в ЭЭС мощности может быть достигнуто сочетанием ГТУ с пневматическими аккумуляторами, так как они высвобождают мощность, потребляемую компрессором во время работы газовой турбины. Аккумулирование воздуха в специальном резервуаре с помощью компрессора превращает ГТУ из чисто пиковой установки в НЭ. Мощность компрессора составляет 66% от мощности обычной ГТУ. Воздушно-компрессионный способ аккумулирования энергии был впервые запатентован в 1949 г., однако первая в мире установка, работающая по этому принципу, была построена лишь в 1978 г. фирмой «Браун Бовери» в г. Гунторф (ФРГ). Пневматический накопитель сооружен на базе двух подземных хранилищ сжатого воздуха емкостью 300 тыс. м3, которые расположены на глубине 650— 800 м в соляных куполах и работают практически без утечки. Время заряда 4 9 накопителя 8 ч, разряда — 2 ч; потребляемая мощность — 60 МВт. В Швеции, Финляндии, Дании, Югославии, Франции и США проявляется значительный интерес к проблеме промышленного применения принципа аккумулирования сжатого воздуха. Принцип действия ВАГТЭС заключается в следующем: в часы прохождения минимума нагрузки она работает в режиме накопления энергии — воздух с помощью компрессора закачивается в специальное хранилище (естественные каверны, выработанные газо- и нефтяные месторождения, искусственные объемы). В период прохождения пика нагрузки сжатый воздух (при выключенном компрессоре) подается из хранилища в камеру сгорания ГТУ. Вся мощность газовой турбины используется для выработки электроэнергии, возрастающей на ВАГТЭС по сравнению с собственно ГТУ в 3 раза. Рисунок 13.1 - Схема работы простейшей ГТУ: 1 — газовый генератор; 2 — выхлопная труба; 3 — электрогенератор; 4 — турбина Рассмотрим энергетический баланс ГТУ, изображенной на рис. 13.1. Для производства одной единицы электрической энергии необходимо затратить четыре единицы топлива. Из этого же количества топлива турбина вырабатывает три единицы механической энергии; две из них нужно затратить на приведение в действие компрессора. Рассмотрим работу ВАГТЭС, изображенной на рис. 13.2. Если она работает в аккумулирующем режиме, то из системы необходимо взять две единицы электрической энергии для приведения в действие компрессора. В случае работы установки в режиме производства электрической энергии расходуется шесть единиц топлива, а вырабатываются три единицы электроэнергии.. Из трех единиц тепловой энергии, уходящих с выхлопными, газами, две можно использовать для предварительного нагрева воздуха, что повысит КПД установки (на рис. 13.2 это не показано). Таким образом, чтобы выработать три единицы электроэнергии, необходимо предварительно взять две единицы из системы и затратить шесть единиц топлива. 5 0 Рисунок 13.2 - Схема работы ВАГТЭС: I - работа в режиме накопления; II - работа в режиме выдачи; 1 - резервуар со сжатым воздухом; 2 - электродвигатель; 3 - выхлопная труба; 4 - электрогенератор Для хранения сжатого воздуха перед подачей его в камеру сгорания необходим соответствующий сосуд высокого давления. Для работы станции даже средних размеров приходится запасать очень много воздуха, поэтому использование обычных стальных или бетонных сосудов высокого давления, применяемых на АЭС, по экономическим причинам нецелесообразно. Предлагалось использовать для накапливания и хранения сжатого воздуха подземные выработки, в которых горные породы образуют хранилища высокого давления. На станции Гунторф (ФРГ) для этой цели использована выработка в соляном пласте. В некоторых проектах предполагается давление газа в полости под землей поддерживать постоянным с помощью расположенного на земле резервуара с водой. Заполняя газовую полость при выходе воздуха на рабочую турбину, вода автоматически поддерживает давление, определяемое высотой ее столба. Таким образом, мощность, отдаваемая накопителем, не уменьшается. Недостаток пневматических накопителей — нагревание воздуха при сжатии (даже если этот процесс протекает идеально). Необходимость охлаждения воздуха, помещаемого в подземное хранилище для сохранения его механической прочности в течение длительного времени, требует строительства охладителем башенного типа. 5 1 Лекция 14 Накопители электрической энергии в электрических системах Все рассмотренные выше НЭ имели электромеханическое устройство управления, что обусловливало их невысокую маневренность. Рисунок 14.1 - Схемы подключения НЭЭ: а — шунтовая; б — линейная НЭЭ соединяются с ЭЭС посредством управляемого вентильного преобразователя*, время реверса мощности которого составляет 0,01 с, что определяет их высокую маневренность, а следовательно, возможность комплексного использования в ЭЭС. *Так как накопление электрической энергии возможно только при постоянном токе. К НЭЭ относятся [44]: топливные элементы (ТЭ); электрохимические аккумуляторные батареи (ЭАБ); сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН); емкостные накопители (ЕН). Существует два способа подключения НЭЭ к энергосистеме— шунтовой и линейный, соответствующие им схемы приведены на рис. 14.1, а, б. Рассмотрим подробнее блоки накопителей электрической энергии. Устройство управления НЭЭ. Оно может быть выполнено по трехфазной мостовой схеме, имеющей высокие технические показатели и хорошо зарекомендовавшей себя при эксплуатации существующих преобразователей большой мощности. Число мостов в устройстве управления НЭЭ определяется как реально выполнимой мощностью тиристорного моста, так и режимными соображениями, рассматриваемыми ниже. Каждый мост присоединен к сети переменного тока через отдельный трансформатор. С целью обеспечения 12-пульсного режима преобразования, обладающего рядом преимуществ по сравнению с шестипульсным (меньше пульсации постоянного напряжения, лучше гармонический состав переменного напряжения и др.), вторичные обмотки одной половины трансформаторов соединены в «треугольник», а другой— в «звезду» (рис. 14.2). 5 2 Рисунок 14.2 - Схема последовательного включения модулей 12-пульсных преобразователей, составляющих УУ: 1 — аккумулирующий элемент; 2 — выключатель; 3— междуфазный реактор; 4 — преобразовательный мост; 5— трансформатор; 6 — трехфазная сеть Для увеличения коэффициента мощности НЭЭ, определяемого углами регулирования и коммутации преобразовательного устройства, а также степенью искажения формы кривой переменного напряжения, к шинам переменного тока станции подключаются различные компенсирующие устройства — синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы, фильтрокомпенсирующие устройства. Потребление реактивной мощности может быть уменьшено путем разделения преобразователя на ряд последовательно включенных модулей. В процессе работы углы управления всех модулей, кроме одного, поддерживаются равными 0°. Один из них имеет угол, определяющийся требуемым напряжением. Все модули, имеющие нулевой угол, требуют лишь минимальной реактивной мощности — для коммутации. На рис. 14.2 показана возможная схема преобразователя, выполненного в целях уменьшения потребления реактивной мощности. Преобразователь представляет собой последовательное соединение 12-пульсных модулей, содержащих силовые трансформаторы. Каждый модуль рассчитан на 4,5 кВ и состоит из двух 6-пульсных мостов, соединенных параллельно с междуфазным реактором, уравновешивающим ток. Два модуля имеют значения тока 50 кА, два других — 30 и 20 кА. Например, при максимальном токе АЭ накопителя каждый 6-пульсный мост обеспечивает постоянный ток 25 кА. Если 12-пульсный модуль закоротить механическим выключателем при нулевом значении напряжения и затем отключить его от трехфазной сети, улучшится полный КПД преобразователя, так как на четырех последовательно соединенных тиристорах устранится падение прямого напряжения. 5 3 Значение выдаваемой активной мощности НЭЭ должно во всех режимах его работы определяться системными требованиями и не зависеть от изменяющегося напряжения на самом АЭ. Один из способов обеспечения выполнения этого условия — регулирование углов управления вентилей. Применение управляемых преобразователей в в качестве связующего звена между АЭ и сетью переменного тока позволяет за счет соответствующего изменения углов включения вентилей в течение цикла заряда— разряда НЭЭ осуществить практически любой закон регулирования мощности. При этом мощность на шинах переменного напряжения будет зависеть от соотношения между напряжением на АЭ и противо-ЭДС преобразователя, определяемой значением углов управления. Однако этот способ управления имеет ряд ограничений. Поскольку мощность преобразовательного устройства НЭЭ может достигать нескольких сотен мегаватт, плечи мостов должны собираться из последовательно-параллельно включенных вентилей. С целью ограничения перенапряжений параллельно к ним необходимо подключать активно- емкостные демпфирующие цепочки. При глубоком регулировании преобразователей на плечах моста и его отдельных вентилях появляются скачки обратного напряжения. Необходимые для их ограничения параметры демпфирующих цепочек становятся, неприемлемыми из-за потерь мощности в них. При применении других защитных устройств (например, лавинных диодов) данная проблема остается. Использование тиристоров в мощных преобразовательных установках еще больше увеличивает число вентилей в плечах моста и предъявляет более жесткие требования к устройствам их защиты. Рисунок 14.3 - Схема переключения преобразователей УУ Рисунок 14.4 Внешняя характеристика преобразователя 5 4 С другой стороны, при глубоком симметричном регулировании за счет фазового сдвига тока относительно напряжения на шинах станции преобладает реактивная составляющая мощности. Для ее компенсации требуется неприемлемо большая мощность компенсирующих устройств (в пределе равная мощности станции). Эти обстоятельства затрудняют возможность регулирования,в широких пределах углов управления. Увеличить их значения можно за счет применения поочередного управления преобразователей, при котором одна часть мостов работает в выпрямительном режиме, а другая — в инверторном. При таком несимметричном законе управления можно расширить предел регулирования выходного напряжения преобразователя при приемлемом коэффициенте мощности станции. Однако полностью возложить функцию управления НЭЭ на регулирование углов включения вентилей, видимо, нельзя. Его целесообразно сочетать с другими способами обеспечения независимости мощности на шинах НЭЭ от напряжения на АЭ. На рис. 14.3 изображена схема УУ НЭЭ (для случая, когда преобразовательное устройство станции состоит из двух мостов), позволяющая изменить противо-ЭДС преобразователя (в зависимости от напряжения на АЭ) за счет переключения мостов из параллельного соединения в последовательное при заряде НЭЭ и, наоборот, при его разряде. Она применима для любого числа преобразовательных мостов на станции. Анод каждого моста должен соединяться через коммутационные аппараты с анодом и катодом предыдущего по ходу тока моста и анодом последующего, а катод — с анодом и катодом следующего по ходу тока моста и катодом предыдущего. Рассмотрим работу НЭЭ в режиме инвертирования, так как именно в нем важно обеспечить независимость мощности на шинах накопителя от напряжения на АЭ. Рассмотрим внешнюю характеристику преобразователя для случая, когда значение активной мощности на шинах переменного напряжения поддерживается близким к постоянному. В начальный момент (при максимальном напряжении АЭ) преобразователь работает с последовательно соединенными мостами. Поддерживание заданного тока разряда обеспечивается за счет регулирования углов управления инвертора (точки 1—2 на рис. 2.10). В момент уменьшения напряжения на АЭ до значения, при котором возможно поддерживание данного значения тока за счет работы одного моста (точка 2), производят переключение мостов из последовательного соединения в параллельное, что соответствует переходу с точки 2 внешней характеристики преобразователей на точку 3. При этом токи, протекающие через преобразовательные мосты, а следовательно, ток и мощность станции на шинах переменного напряжения не изменяются, так как первичные обмотки трансформаторов соединены параллельно. 5 5 Положение точки 4 определяется процентом недоиспользования АЭ. Суммарное число мостов станции должно определяться допустимым пределом регулирования углов управления вентилей и задаваемым коэффициентом использования АЭ. Схема (см. рис. 2.9) построена так, что в режиме инвертирования при переключениях станции не отключаются от ЭЭС и коммутационные аппараты не обрывают рабочий постоянный ток. Поэтому их изготовление не вызовет дополнительных трудностей. Кратковременные перегрузки мостов при переключениях не превосходят допустимые для преобразователей передачи постоянного тока. Описанная схема в сочетании с регулированием углов управления вентилями позволяет поддерживать требуемую активную мощность, выдаваемую станцией, вплоть до полного разряда АЭ без перерыва энергоснабжения. При ее помощи можно обеспечить независимость потребляемой активной мощности от напряжения на АЭ и в режиме его заряда (при работе мостов в режиме выпрямителя), но с отключением станции от ЭЭС на время перекоммутаций. Другой способ регулирования мощности НЭЭ — подключение АЭ к преобразователю станции по частям. Для этого АЭ необходимо разбить на секции, каждая из которых подключается независимо друг от друга к шинам постоянного напряжения преобразовательного устройства. При этом мощность станции колеблется около заданного среднего значения; полностью заряженные или разряженные секции необходимо отключать от преобразователя перед очередным подключением. Достаточно мелкое дробление АЭ на секции в сочетании с регулированием углов управления преобразователя позволит уменьшить до допустимого уровня неравномерность изменения активной мощности АЭ в течение цикла работы. Другие известные способы регулирования цепей заряда— разряда конденсаторных батарей (использование трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой, переключение конденсаторов батареи из последовательного соединения в параллельное и наоборот, подключение преобразователей к сети переменного тока через индуктивно- емкостные статические преобразователи, использование в качестве преобразовательных устройств компенсированных преобразователей с искусственной коммутацией тока вентилей и т. д.) требуют специального рассмотрения. Таким образом, НЭЭ с устройством управления на базе 12-пульсного преобразователя при применении рассмотренных выше способов будет отвечать всем требованиям, предъявляемым к источникам пиковой мощности в ЭЭС. Перейдем теперь к рассмотрению возможных типов аккумулирующих устройств для НЭЭ. Электрохимические накопители энергии. Электрохимические накопители энергии или электрохимические аккумуляторные батареи — один из самых распространенных типов 5 6 накопителей. Электрохимическая аккумуляторная батарея (ЭАБ) состоит из многих элементов, соединенных последовательно и параллельно. Заряд ее происходит во внепиковые часы, а разряд —в часы пиков нагрузки. В процессе заряда электроэнергия электрохимическим путем преобразуется в химическую. При разряде накопленная энергия высвобождается в процессе обратной реакции. Проделана большая работа по совершенствованию ЭАБ. Оказалось, что свинцовые аккумуляторы можно применять и в ЭЭС. Однако стоимость таких элементов высока. Новые типы аккумуляторов основаны на использовании химических реакций таких материалов, как цинк, сера, натрий и т. д., имеющихся в достаточном количестве и являющихся сравнительно дешевыми. Испытания хлор-цинковых аккумуляторов, работающих при низких температурах, дают обнадеживающие результаты. Из аккумуляторов, требующих для работы более высоких температур, можно упомянуть натрий-серные и литий- серные. Особенно успешно ведутся лабораторные испытания натрий- серных ЭАБ. Характеристики перспективных типов аккумуляторов для выравнивания пиков нагрузки приведены в табл. 14.1. Электрохимические аккумуляторные батареи имеют КПД, достигающий 65—70%. Ожидается, что перспективные аккумуляторы будут иметь срок службы около 20 лет при удельных капиталовложениях в установку порядка 150 долл/кВт и удельной энергоемкости 250 кВт-ч/м3. Недостатки ЭАБ — ограниченное число зарядно-разрядных циклов (не более 500), малое время хранения энергии и отрицательное экологическое воздействие. Таблица 14.1 Материал, используемый в качестве катода, анода Электролит Температура, °С Возможная плотность энергии, Вт-ч/кг Возможная плотность мощности, Вт/кг Оксид свинца Жидкий 40 35-40 100 Цинк — хлор Водный раствор 0-60 70—100 100 Натрий — сера Твердый 300 150—200 150 Литий — сера Расплав 430— 450 150—200 100 |