OSTROVNÍ PROVOZY ELEKTRÁRENSKÝCH TURBOGENERÁTORŮ PŘIPOJENÝCH NA JEDNU SBĚRNICI ELEKTROROZVODNY

Transkript

1 OSTROVNÍ PROVOZY ELEKTRÁRENSKÝH TUROGENERÁTORŮ PŘIPOJENÝH N JEDNU SĚRNII ELEKTROROZVODNY Island Operations of Electric Generators onnected to One Substation. Petr Neuman NEUREG, s.r.o., Praha bstrakt V příspěku budou nejpre prezentoány simulace odlišných ostroních proozů elektrárenských turbogenerátorů připojených na jednu sběrnici rozodny na příkladu teplárny s íce paralelně pracujícími synchronními generátory, které jsou připojeny přes jednu elektrorozodnu do distribuční soustay. Na simulátoru je instruktorem olena elikost distribuční soustay do které jsou generátory elektricky připojeny. Pro odlišné ostroní proozy (jejichž elektrická trdost je dána elikostí tz. ýkonoého čísla soustay) budou ukázány ýsledky simulací na Operátorském Tréninkoém Simulátoru (OTS) yužíaného pro trénink paralelního chodu dou a íce elektrárenských turbogenerátorů / bloků. Obdobný ostroní prooz íceblokoé elektrárny bude projekčně analyzoán pro jadernou elektrárnu JETE 1&2. Simulační model je ytořen prostředcích MTL SIMULINK. Prezentace přímo naazuje na předcházející autoroy příspěky přednesené na konferencích Technical omputing letech 2009 a 2011 [1], [2]. 1. Simulace ostroního proozu na teplárně / elektrárně EOP. Tréninkoé a inženýrské (analytické) Simulátory jsou hlaním nástrojem určeným ke studiu a testoání dynamického choání elektrárenských bloků (synchronních generátorů) a elektrických sousta. Je šak nezbytné modeloat elektrické části bloků a sousta elmi realisticky a numericky plnorozsahoě [12]. Pro získání publikoaných ýsledků byl yužit Operátorský Tréninkoý Simulátor (OTS) elektrárenských rozoden režimu ostroního proozu [10], který byl yinut, dodán a ueden do proozu elektrárně Opatoice (EOP) společností NEUREG, s.r.o. Pro ilustraci rozsahu modeloané elektrárny a distribuční soustay jsou uedena následující jednopóloá schémata.

2 Obr. 1: Jednopóloé schéma poloiny rozodny elektrárny EOP Obr. 2: Jednopóloé schéma regionální distribuční soustay pro simulaci procesu lackstart. Z literatury [1] uádíme pro ilustraci modeloání a simulace procesu lackstart následující schema.

3 wm (ot/min) Vabc Iabc Vabc a a a Iabc b b b a c b c c c <Stator oltage q (pu)> <Stator oltage d (pu)> <Rotor speed de iation dw (pu)> <Rotor speed wm (pu)> Ug U TRF PROV U HRUDIM UTUNEHODY w <Output acti e power Peo (pu)> Pe Pm 1.0 wref Pref Pm Pm m Ug a Utrf Uchru a Utun we Pe0 gate dw Hydraulic Turbine and Goernor Vf_ 10 MW Generator Praco b c TRF 6.3 / 37.5 kv 8 MV 4 MV ek = 8% VS Praco 0.2 MW 35 kv linka Praco hrudim 95 lfe Todb MW b c 35 kv linka TRF 40.5 / 123 kv hrudim Tunechody 40.4 MV 110 lfe ek = 12% T odb odb kv 0.1 MW 110 kv linka Tunechody Opocinek 240 lfe 1 ref U OPOINEK Uopc d q Vf stab Excitation System Ef 110 kv linka Opocinek R110kV EOP 450 lfe U EOP R110 Ur110 P VS XY Graph 3Phase ctie & Reactie Power (Phasor Type) <signal1> Vabc T / 6.3 kv / 2% x 8 U (kv) Q VS1 <signal2> PQ Iabc ThreePhase VI Measurement Tm0 Phasors XY Graph3 Ur6 Tm wm Ventilatoroa charakteristika P VS2 Tm m <Rotor speed (wm)> U EOP R6 Staticka VS EOP 0.1 MW Spinac Ek. M Pn = 2 MW U EOP NP Uen XY Graph2 P NP Q NP 3Phase ctie & Reactie Power (Phasor Type)1 <signal1> Vabc PQ <signal2> Iabc ThreePhase VI Measurement1 Tm0 Tm wm 0.85 I EOP NP Sequence nalyzer (Phasor Type) Ventilatoroa charakteristika napajecka Mag abc Pha XY Graph1 Tm m <Rotor speed (wm)> 3000 wm () Elektronapajecka Pn = 1.6 MW Obr. 3: Model ostroního proozu VE Práčo EOP programu SimPowerSystems Obr. 4: harakteristika PQ lastní spotřeby 6.3 kv elektrárny EOP

4 Literatura [2] se zabýala simulací procesu fázoání s použitím zařízení SYNHROTKT, což elmi úzce souisí s dnešním hlaním tématem, tedy s realizací ostroních proozů. Pro připomenutí uádíme přehledoé schema a ilustratiní operátorskou obrazoku. Obr.5: Přehledoé schéma fázoání K tréninku fázoání se obykle při stanoení přípustné chyby fáze ychází z požadaku, aby počáteční točiý moment při zapnutí generátoru na síť byl menší než jeho jmenoitý moment. Tomu obykle odpoídá chyba fáze 8 12, stejně jako proozní praxi. Z hlediska simulace je nutný realistický model zařízení SYNHROTKT, který musí být trojfázoý, protože reálné zařízení SYNHROTKT má funkci odozenou z měření dou fází ze tří, z těch pak je po jejich digitálním zpracoání (filtrace, rekonstrukce 1.harmonické 50 Hz) stanoeno rozdíloé napětí mezi těmito fázemi, a to na straně obou spínaných objektů. Z průběhu rozdíloého napětí se stanoí rozdíl fázoých napětí du (sítě i generátoru), ale také rozdíl úhlů dfi (jeli dfi = konst, jedná se o kruhoání ), a roněž rozdíl frekencí df ( fázoání ). Přes analogoé nebo digitální měřáky si dispečer nastauje a kontroluje podmínky synchronizace a následně realizuje fázoání / kruhoání. Příklad: Zapínací čas t z fázoacího spínače zpožďuje zapínací poel. Za čas t z se zájemná poloha fázorů U 1 a U 3 změní o úhel fi p = d(omega). t z = 2.(pi). d(f). t z (1) Fázoač musí tedy yslat zapínací poel s předstihem fi p. SYNHROTKT musí také nastait kmitočet TG tak, aby zrychloací moment ytářený turbínou, nabyl přijatelné hodnoty pro fázoání. Dynamický náraz při fázoání je záislý na elikosti rozdílu kmitočtu a na nedostatku nebo přebytku zrychlujícího momentu turbíny. Pokud by byl zrychlujícího moment ětší, může TG přejít přes synchronní sta tak rychle, že sfázoání nenastane (okamžitá rychlost bude mít tak elký překmit na přechodoé charakteristice, že do oblasti synchronního stau po překmitu se dostane až po čase delším než je přípustný čas, nastaený na SYNHROTKTu).

5 Obr. 6: Emulace skříně fázoání, instruktor sta Přifázoáno Obr.7: Obrazony SD šesti elektrických synchronních generátorů

6 Obr.8: Obrazony SD s olbou elikosti distribuční sítě Legenda obrázku 8: ěžný prooz, tj. s nekonečně elkou sítí Malý ostro Velký ostro (střední) = Infinite Power Grid = Small Power Grid = Intermediate Power Grid 2. Simulátory konenčních (fosilních) elektráren a tepláren. Nyní uedeme několik časoých průběhů eličin u generátorů G2 a G4, které jsou připojeny na jednu elektrickou přípojnici W1. Jak již bylo řečeno, jedná se o uhelnou teplárnu EOP (6 x 60 = 360 MWe), která je šak i dodaatelem PpS pro proozoatele přenosoé soustay ČEPS, a plní tedy funkci systémoé elektrárny pro plnění systémoých (SyS) a podpůrných (PpS), stejně jako elké jaderné elektrárny (JETE 2 x 1080 = 2160 MWe, F3 EPR 1 x 1700 MWe). Legenda k následujícím časoým průběhům na obrázcích 9. až 12. čase 115 sekund do času 115 sekund po čase 200 sekund čase 360 sekund změna ýkonu (blok G2 zelená, blok G4 modrá) generátory připojeny do nekonečně trdé soustay (Infinite Power Grid) změna na střední elikost (Intermediate Power Grid rozodna Opoč) změna na malou soustau (Small Power Grid rozodna Opočínek)

7 Obr.9: Časoé průběhy činného ýkonu generátorů G2 a G4 (změny čase 115, 200, 360 s) Obr.10: Časoé průběhy napětí generátorů G2 a G4 (změny čase 115, 200, 360 s)

8 Obr.11: Časoé průběhy otáček generátoru G4 (změny čase 115, 200, 360 s) Obr.12: Časoé průběhy otáček generátoru G2 (změny čase 115, 200, 360 s)

9 Obr. 13: Oládací obrazoka pro lackout Obr. 14: Instruktorská oládací obrazoka pro změny na rozodnách OPOČ, NEZ, MÍR (napětí, fázoý úhel, frekence)

10 Obr. 15: Instruktorská oládací obrazoka pro zadáání poruch a režimů (olba zkratů a působení ochran, poruchy, lackout lackstart) 3. Simulátory jaderných elektráren 3.1. Projekt zahraničí. V oblasti simulátorů a trenažérů Jaderných elektráren je pokrok nejětší a někdy ani ne ynucený platnou legislatiou iz následující příklad z Francie (na rozdíl od Česka, kde se realizuje pouze to, co je legislatiou a platnými předpisy přímo yžadoáno). Následující obrázek ukazuje obrazoku Tréninkoého simulátoru jaderné elektrárny F3 EPR, kde instruktor může zolit elikost elektrické sítě do které je elektrická energie yedena. Tréninkoý simulátor francouzské JE Flamanille F3 EPR, kde instruktor může ybrat elikost soustay Small Power Grid (400 MW), nebo Intermediate Power Grid (45000 MW), nebo Infinitie Power Grid, nekonečně trdou soustau [11].

11 Obr.16: Grafický ýstup pro olbu dynamického modelu elektrické soustay Simulator F3 EPR modeluje šechny scénáře ztráty napětí až do úplného lackoutu a kompletní najetí lackstart. Jsou tam modeloány Externí síť, Hlaní generátor, Nouzoá externí síť, Haarijní dieselgenerátory, Nouzoé dieseloé motory a baterie pro celý čas ýpadku. Obr.17: Realistické scénáře elektrických rozoden K obrázku 1. lze dodat, že elikosti ostroů pro elektrárnu EOP (120; 3000; [MW]) jsou pochopitelně menší než pro jadernou elektrárnu Flamanille F3 EPR (400; 45000; [MW]). Rozsah modeloání jednoho bloku JE je dán platnými normami pro jadernou energetiku, ale pro realizaci pokročilého inteligentního (Smart) Simulátoru je takoé modeloání nedostatečné. Simulátor striktně dodržující normy nemůže třeba simuloat paralelní prooz íce generátorů připojených do jedné sběrnice rozodny. Proto takoé simulace nejsou realistické pro ostroní prooz íce zdrojů energie energetických bloků.

12 3.2. Trénink operátorů jaderné elektrárny JETE Operátoři sekundáru bloků 1 a 2 jaderné elektrárny JETE by potřeboali nalytický (Generický) Simulátor, na kterém by mohli trénoat řízení malého ostroního proozu (600 MW Small Power Grid) dou TG1 a TG2 připojených do jedné rozodny. K tomu by stačil model dou turbogenerátorů se zjednodušeným (generickým) modelem primární části. Není nutný model dou kompletních bloků četně detailního plnorozsahoého modelu primární jaderné části jaderného reaktoru. Příkladem pro simulaci je sta, kdy oba bloky mají stejný ýkon: MW MW lok 1 zýší ýkon o 350 MW a sleduje se jednak dynamická odeza bloku 2 a také choání operátora sekundární části bloku Pro ilustraci ýkonoých rozsahů bloku JETE a elikosti soustay do které jsou bloky připojeny uádím následující: Vlastní spotřeba MW Proozní rozsah MW Proozní režimy: lackout, lackstart lackstart Station Own onsumption Grid (200 MW), Island Operation Small Power Grid ( MW), Intermediate Power Grid ( MW) Infinite Power Grid (celá soustaa ENTSOE, [MW]), Obecně změna ýstupu bloku cca o 300 MW. Regulace frekence a činných ýkonů "fap", regulace napětí a jaloých ýkonů "U a Q". Sledoání dynamických jeů "houpání ýkonu a frekence" při paralelním proozu íce turbogenerátorů (bloků 1, 2; po dostabě JETE bloků 1,2, a bloku 3 nebo 4) Simulace těchto jeů yžaduje detailní modeloání synchronních generátorů a yedení elektrického ýkonu do připojené přenosoé soustay. Obr. 18: Jednopóloé schéma elektrické rozodny bloků JETE 1 & 2

13 Možnosti a podmínky simulace zkoumaných dynamických jeů. Simulátor JETE blok 1. HW a SW konfigurace: operační systém LINUX, serery simulátoru SGI ltix 450, půodní praconí stanice SGI Indigo 2 nahrazeny standardními P s procesory Intel Integrační krok numerických ýpočtů na stáajícím simulátoru T int = 80 [ms], Tedy simulační ýpočtoý bod /počet zorků poměru k periodě/, (sb): 1 x za 4 [ot] [pomocný ýpočet T int : T per = 80 : 20 = 4, tzn. pouze 0.25 zorku na periodu], tzn. možnost reálné simulace pouze jeů s frekencí do elikosti f=0.625 Hz [pomocný ýpočet 1000 : (80 x 20) = 0.625], Při předpokladu nutnosti 20 zorků na jednu periodu, tzn. sb: 20 x za 1 [ot] pro simulaci změn síťoé frekence f=50 Hz by bylo nutné zorkoat s krokem 1 [ms]. [pomocný ýpočet: integrační krok T int = 20 : 20] Nastaení Systémoého stabilizátoru PSS, jehož účelem je tlumit nízkofrekenční kýání rotoru SG, odpoídá rozdělení elektromechanického kýání do tří kategorií: 1.Mezioblastní (odlehlé oblasti ES) Typické pásmo Hz 2.Místní kmity Typické pásmo Hz 3.Kmitání mezi jednotliými stroji Typické pásmo Hz Simulátor JETE tedy neodsimuluje kmity ad 3., částečně kmity ad 2. (0.625 ǂ 0.7), a ůbec ne kmity ad 1.!!!. Frekenční (f= 50 Hz) modeloání a simulace synchronních generátorů (zejména třífázoá) s reálným systémem buzení jsou nestabilní (problémy s numerickou stabilitou ýpočtu)! 4. Záěry Tréninkoé a inženýrské (analytické) simulátory umožňují proádět simulační testy složitých proozních režimů, které není možné proádět reálném proozu. Pouze na jaderné elektrárně Černobyl to operátoři bloku zkusili (ale jen jednou). 1. námět pro autora i HUMUSOFT: Pokud by se model JE s děma a íce bloky realizoal prostředí MTL SIMULINK (SimPowerSystems) bylo by řešením rozdělit rozsáhlý model na íce submodelů a submodel elektro simuloat s ýrazně kratší periodou zorkoání? Například submodel ýparník parní buben parní generátor.simuluje pomalé tepelné jey, i když zase doufázoě (tři zákony zachoání = first principles, každý doufázoě), tzn. 6ti ronicoý model. Při zjednodušení tím, že ronice hybnosti směsi kapaliny a páry řeší jejich separaci driftflux modelem, počítáme s 5ti ronicoým model. 2. námět pro autora i HUMUSOFT: Submodel ýparník parní buben parní generátor realizoat prostředí OMSOL Multifysics?

14 Literatura [1] Neuman, P. a kol. lackstart jako zláštní případ ostroního proozu. 17. ročník konference TEHNIL OMPUTING Prague [2] Neuman, P. Možnosti simulace zařízení SYNHROTKT u trenažérů elektráren a elektrárenských sousta. 19. ročník konference TEHNIL OMPUTING Prague [3] Hlaáč, J.. udící soupraa PRISMI 50, MV. RUSH SEM, Plzeň, [4] Neuman, P.: Dynamické modely TG a sousta (rozodny, distribuční a přenosoé soustay) pro DTS. Odborný seminář ktuální otázky a ybrané problémy řízení elektrizační soustay, 11. ročník PODĚRDY [5] Neuman, P.: Dispečerské trenažéry pro trénink manipulací kritických staech elektrizační soustay. Odborný seminář 12. ročník PODĚRDY [6] Neuman, P. Dynamic models for simulation of power system in the states close critical for analysis and training of dispatchers. yklus E2007, Prague, [7] Neuman, P., et. al. lackstart as a special case of island operation. 14 th International Energy onference PODERDY, Poděbrady, zech Republic, 2009/a. [8] Neuman, P., et. al. Simulation of electromechanical and electromagnetic transients as ncillary Serices of lackstart. Int. onference ELEKTROENERGETIK 2009, Stará Lesná, Sloakia, 2009/b. [9] Neuman, P. Models of synchronous generator and transformers for dispatch training simulators and real time digital simulators. In Proceedings of IF Symp. on ontrol of Power Systems and Power Plants, Tampere, Finland, [10] Neuman, P. Power Plants and oilers Models for Operator Training Simulators. In Proceedings of IF World ongress, Milan, Italy, [11] Neuman, P. Smart Grid methods of Transmission System Operators for improed Power System ontrol. In Proceedings of IF World ongress, Milan, Italy, [12] Neuman, P. (2012a). Power Plant and Turbogenerator models for Engineering and Training Simulators. In Proceedings of IF Symp. on ontrol of Power Systems and Power Plants, Toulouse, France, 2012/a. [13] Neuman, P. Dispečerské trenažéry a síťoé simulátory pro SMRT elektrizační soustay. Odborný seminář 17. ročník PODĚRDY 2012/b. [14] Neuman, P. Smart Grid applications for improed Power System ontrol. In Proceedings of IF Symp. on ontrol of Power Systems and Power Plants, Toulouse, France, 2012/c. [15] Neuman, P. Požadaky na tréninkoé simulátory (DTS/OTS) společný trénink proozoatelů elektrizačních sousta (PPS, PDS) a operátorů elektráren (jaderných, paroplynoých, uhelných) / Requirements for Training Simulators (DTS/OTS) joint team Training of TSO, DSO and Power Plant Operators (Nuclear, ombine ycle, oalfired). Odborný seminář 18. ročník PODĚRDY [16] Neuman, P. a M. Hladík (2013). Rozoj jaderné energetiky, krátkodobý do roku 2030 a dlouhodobý do roku Odborný seminář 18. ročník PODĚRDY [17] Neuman, P. a M. Hladík. Rozoj jaderné energetiky, krátkodobý do roku 2030 a dlouhodobý do roku Odborný seminář 18. ročník PODĚRDY [18] Schrumpf, L. Plnorozsahoé simulátory pro ýcik operatiního personálu energetických bloků. Odborný seminář 12. ročník PODĚRDY Petr Neuman Studnická 2128/27 Horní Počernice Praha Tel.: neumanp@olny.cz