CZ35099U1

CZ35099U1 - Equipment for increasing the life and flexibility of a rotating source of electricity

Info

Publication number: CZ35099U1
Application number: CZ2020-38415U
Authority: CZ
Inventors: Zdeněk PEROUTKA; Martin Sirový; Martin Vinš
Original assignee: Západočeská Univerzita V Plzni
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-05-25

Description

Zdroje elektrické energie, které obsahují alespoň jeden elektrický generátor poháněný zdrojem mechanické energie, jsou základem celosvětové produkce elektřiny. Typicky se jedná o turbosoustrojí v tepelných elektrárnách. Tyto rotační zdroje nejsou schopny reagovat na rychlé dynamické stavy v elektrické síti. Četnost těchto dynamických stavů se zvyšuje společně s rozvojem obtížně predikovatelných obnovitelných zdrojů elektrické energie, či v důsledku lokálního přetěžování elektrizační soustavy. Důsledkem je zvýšené elektrické i mechanické namáhání těchto zdrojů elektrické energie s dopadem na jejich životnost.Electrical energy sources that contain at least one electrical generator driven by a mechanical energy source are the basis of worldwide electricity production. These are typically turbo-sets in thermal power plants. These rotating sources are not able to respond to fast dynamic conditions in the power grid. The frequency of these dynamic states increases together with the development of difficult-to-predict renewable sources of electricity, or as a result of local overloading of the electricity system. The consequence is increased electrical and mechanical stress on these sources of electrical energy, with an impact on their service life.

V současnosti jsou rotační zdroje elektrické energie základem celé řady elektráren a tepláren - od konvenčních elektráren a tepláren na fosilní paliva (typicky paroplynové, uhelné, dieselové), přes elektrárny jaderné, po elektrárny vodní. Společným jmenovatelem těchto rotačních zdrojů je zdroj mechanické energie (typicky turbína, nebo spalovací motor) mechanicky spojený s elektrickým generátorem. Tyto zdroje jsou připojeny do elektrizační soustavy a zpravidla jsou zapojeny do systému podpůrných služeb pro zachování stability elektrizační soustavy (primární a sekundární regulace výkonu, minutové zálohy a další), kterými je zajišťována výkonová rovnováha. Regulační dynamika těchto zdrojů je omezena v důsledku fýzikálních limitů na straně zdroje mechanické, respektive tepelné energie pro případ parních turbín (zejména v důsledku povolených teplotních gradientů použitých materiálů). Provozování těchto zdrojů na hranici fýzikálních limitů v důsledku zvyšujících se nároků na regulační vlastnosti těchto zdrojů pak významně snižuje jejich životnost.Currently, rotating sources of electrical energy are the basis of a whole range of power plants and heating plants - from conventional power plants and heating plants on fossil fuels (typically steam gas, coal, diesel), through nuclear power plants, to hydropower plants. The common denominator of these rotating sources is a source of mechanical energy (typically a turbine or an internal combustion engine) mechanically connected to an electrical generator. These sources are connected to the electricity system and are usually involved in the system of support services to maintain the stability of the electricity system (primary and secondary power regulation, minute backups and others), which ensure the power balance. The regulatory dynamics of these sources is limited due to physical limits on the side of the source of mechanical or thermal energy in the case of steam turbines (mainly due to the permitted temperature gradients of the materials used). The operation of these resources at the limit of their physical limits due to the increasing demands on the regulatory properties of these resources significantly reduces their service life.

V elektrizační soustavě může docházet k mnoha negativním přechodným dějům (typicky v důsledku rekonfigurace elektrizační sítě při stabilizaci výkonových toků nebo spínáním velkých zátěží v sítích s nízkou zkratovou impedancí), které přímo působí na připojené rotační zdroje elektrické energie v podobě jejich zvýšeného elektromechanického namáhání (zvýšené vibrace, napěťové a proudové namáhání). Tyto negativní přechodové děje jsou řádově rychlejší než regulační schopnosti použitých zdrojů mechanické energie. Z tohoto důvodu na ně nemohou klasické rotační zdroje reagovat, neboje účinně kompenzovat.In the electrification system, many negative transient events can occur (typically as a result of the reconfiguration of the power network during stabilization of power flows or switching of large loads in networks with low short-circuit impedance), which directly affect the connected rotating sources of electrical energy in the form of their increased electromechanical stress (increased vibration, voltage and current stress). These negative transient events are an order of magnitude faster than the regulatory capabilities of the mechanical energy sources used. For this reason, classic rotary sources cannot react to them, nor can they effectively compensate.

Jsou známa technická řešení, jejichž základem je akumulační prvek (typicky elektrochemická baterie) a elektronický výkonový měnič jako např. v dokumentu US 2018/0145 511 A1. Tyto prvky jsou připojené do systémů vlastní spotřeby elektrárny a byly navrženy pro zvýšení flexibility výkonové regulace elektrárny, nebo též pro zajištění zálohovaného napájení. Podobné technické řešení zvyšující flexibilitu výkonové regulace elektrárny popisuje i užitný vzor CZ 30903 Ul, který využívá akumulační prvek s elektronickým výkonovým měničem připojený přímo do společného elektrického uzlu s generátorem. Dále jsou známy dokumenty, které řeší výkonovou bilanci a flexibilitu tepelné elektrárny s využitím supravodivého magnetického energetického akumulačního prvku - např. dokument US 005699666 A. Další řešení využívají akumulačního prvku přímo připojeného k elektrizační soustavě - např. dokument EP 2224570 A2. Ten řeší zlepšení stability elektrizační soustavy na základě výkonových dodávek, nebo odběrů při odchylce frekvence. Dokument US 2015/0028675 AI uvažuje použití centralizovaného energetického úložiště pro stabilizaci celé elektrizační soustavy.Technical solutions are known, the basis of which is a storage element (typically an electrochemical battery) and an electronic power converter, such as in document US 2018/0145 511 A1. These elements are connected to the power plant's own consumption systems and were designed to increase the flexibility of the power plant's power regulation, or to ensure a backup power supply. A similar technical solution increasing the flexibility of the power plant's power regulation is also described in utility model CZ 30903 Ul, which uses a storage element with an electronic power converter connected directly to a common electrical node with the generator. There are also known documents that solve the power balance and flexibility of a thermal power plant using a superconducting magnetic energy storage element - e.g. document US 005699666 A. Other solutions use a storage element directly connected to the power system - e.g. document EP 2224570 A2. This solves the improvement of the stability of the electricity system on the basis of power supplies or withdrawals in case of frequency deviation. Document US 2015/0028675 AI considers the use of centralized energy storage to stabilize the entire electricity system.

-1 CZ 35099 UI-1 CZ 35099 UI

Výše uvedená technická řešení se ovšem zaměřují na problematiku související s regulací výkonu nebo výkonovou zálohu. Není v nich řešeno využití akumulačního prvku a elektronického výkonového měniče za účelem poskytnutí aktivní ochrany rotačního zdroje před negativními elektromechanickými jevy z elektrizační soustavy.However, the technical solutions mentioned above focus on issues related to power regulation or power backup. They do not deal with the use of the storage element and the electronic power converter in order to provide active protection of the rotating source against negative electromechanical phenomena from the electrical system.

Jsou známy též pasivní generátorové ochrany (ochrany vyhodnocující zkraty a zemní spojení a ochrany vyhodnocující abnormální provozní stavy), které při detekci nebezpečného stavu odpojí generátor od elektrizační soustavy. Tyto ochrany nejsou ze své podstaty schopné aktivně zasáhnout a zmírnit či eliminovat negativní elektromechanické přechodové děje působící na rotační zdroje elektrické energie.Passive generator protections are also known (protections evaluating short-circuits and earth connections and protections evaluating abnormal operating conditions), which disconnect the generator from the electrical system when a dangerous condition is detected. By their very nature, these protections are not capable of actively intervening and mitigating or eliminating negative electromechanical transients acting on rotating sources of electrical energy.

Níže popsané technické řešení aktivně chrání rotační zdroj elektrické energie před negativními přechodovými ději a zvyšuje tak jeho životnost i výkonovou flexibilitu.The technical solution described below actively protects the rotating source of electrical energy from negative transient events and thus increases its service life and performance flexibility.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Podstatou je technické řešení spočívající v unikátním zapojení a způsobu řízení zařízení pro zvýšení životnosti a flexibility rotačního zdroje elektrické energie. Zařízení obsahuje rotační zdroj elektrické energie s elektrickým generátorem připojeným ke zdroji mechanické energie, elektrický uzel, výkonový polovodičový měnič, zařízení pro akumulaci elektrické energie, mikrosíť, řídicí systém s aktivní ochranou rotačního zdroje a regulátorem výkonu a blok měření.The essence is a technical solution consisting of a unique connection and method of controlling the device to increase the life and flexibility of the rotating source of electrical energy. The device includes a rotating power source with an electric generator connected to the mechanical power source, an electrical node, a power semiconductor converter, a device for storing electric power, a microgrid, a control system with active protection of the rotating power source and a power regulator, and a measurement block.

Rotační zdroj elektrické energie je společně s výstupem výkonového polovodičového měniče zapojen do elektrického uzlu. Vstup výkonového polovodičového měniče je připojen k zařízení pro akumulaci elektrické energie. Elektrický generátor, zdroj mechanické energie, výkonový polovodičový měnič, zařízení pro akumulaci elektrické energie, řídicí systém, blok měření a elektrický uzel společně tvoří mikrosíť. Mikrosíť je uzpůsobena pro řízení řídicím systémem.The rotating source of electrical energy is connected to the electrical node together with the output of the power semiconductor converter. The input of the power semiconductor converter is connected to the electrical energy storage device. An electric generator, a mechanical energy source, a power semiconductor converter, an electric energy storage device, a control system, a measurement block and an electric node together form a microgrid. The microgrid is adapted for control by the control system.

Řídicí systém obsahuje aktivní ochranu rotačního zdroje proti transientnímu elektromechanickému namáhání. Aktivní ochranou se rozumí zařízení, které na základě měření elektrických napětí a proudů generuje v elektrickém uzlu složky napětí a proudů, které působí proti přechodovému ději, který negativně ovlivňuje životnost rotačního zdroje. Aktivní ochrana působí proti proudovým a momentovým rázům způsobeným kmity napětí, resp. proudu. Ktomu využívá blok měření v elektrickém uzlu a numerický model rotačního zdroje elektrické energie. Numerický model řešením soustavy diferenciálních rovnic vyhodnocuje elektrické a mechanické namáhání rotačního zdroje elektrické energie. Aktivní ochrana generuje složky napětí a proudů pomocí výkonového polovodičového měniče a zařízení pro akumulaci elektrické energie. Tím jsou v maximální možné míře zmírněny nebo eliminovány negativní přechodové děje a jejich působení na připojený rotační zdroj elektrické energie. Řídicí systém dále obsahuje regulátor výkonu. Měřicí vstupy pro aktivní ochranu a regulátor výkonu jsou připojeny k bloku měření. Blok měření je zapojen do elektrického uzlu. Elektrickým uzlem je mikrosíť připojena k elektrizační soustavě.The control system includes active protection of the rotating source against transient electromechanical stress. Active protection means a device that, based on the measurement of electrical voltages and currents, generates components of voltages and currents in the electrical node that act against transients that negatively affect the lifetime of the rotating source. Active protection acts against current and torque surges caused by voltage fluctuations, or current. Ktomu uses a measurement block in an electrical node and a numerical model of a rotating source of electrical energy. By solving a system of differential equations, the numerical model evaluates the electrical and mechanical stress of the rotating power source. Active protection generates voltage and current components using a power semiconductor converter and electrical energy storage device. In this way, negative transients and their effect on the connected rotating power source are mitigated or eliminated to the maximum extent possible. The control system also includes a power regulator. The measurement inputs for active protection and the power regulator are connected to the measurement block. The measuring block is connected to the electrical node. An electrical node is a microgrid connected to the electricity system.

Zařízením pro akumulaci elektrické energie se rozumí zařízení, které je schopné ukládat a následně dodávat elektrickou energii - typicky elektrochemické baterie nebo mechanický akumulátor energie (například setrvačník).A device for the accumulation of electrical energy means a device that is capable of storing and subsequently supplying electrical energy - typically electrochemical batteries or a mechanical energy accumulator (for example, a flywheel).

Výkonovým polovodičovým měničem se rozumí elektronické zařízení, které je schopné měnit charakter a parametry elektrické energie. Typicky se využívá pro změnu charakteru elektrické energie ze střídavé na stejnosměrnou (nazývaný též usměrňovač) nebo ze stejnosměrného charakteru na střídavý (nazývaný též střídač). Parametry elektrické energie se rozumí zejména frekvence, napětí a proud.A power semiconductor converter is an electronic device capable of changing the character and parameters of electrical energy. It is typically used to change the nature of electrical energy from alternating to direct current (also called a rectifier) or from direct current to alternating current (also called an inverter). The parameters of electrical energy are mainly understood as frequency, voltage and current.

- 2 CZ 35099 UI- 2 CZ 35099 UI

Rotačním zdrojem elektrické energie se rozumí soustrojí zdroje mechanické energie (typicky parní turbína nebo motor, zejména spalovací motor) a elektrického generátoru (typicky synchronní generátor).A rotating source of electrical energy means a combination of a mechanical energy source (typically a steam turbine or an engine, especially an internal combustion engine) and an electrical generator (typically a synchronous generator).

Elektrizační soustavou se rozumí zařízení pro přenos elektrické energie od místa výroby (z elektrárny) do místa spotřeby. Elektrárnou se rozumí komplexní zařízení, jehož základem je rotační zdroj elektrické energie, včetně všech systémů zajišťujících jeho provoz.An electrification system means a device for the transmission of electrical energy from the place of production (from the power plant) to the place of consumption. A power plant is understood as a complex device, the basis of which is a rotating source of electrical energy, including all systems ensuring its operation.

Zvýšení životnosti rotačního zdroje elektrické energie je dosaženo způsobem zapojení a řízení mikrosítě. Tím je zajištěna funkce aktivní ochrany rotačního zdroje elektrické energie před negativními elektromechanickými přechodovými ději. Přechodové děje jsou vybuzené zejména, ale nikoliv pouze, ze strany připojené elektrizační soustavy. Jako přechodové děje jsou vyhodnocována elektrická a mechanická namáhání, zejména nežádoucí proudové a momentové změny.Increasing the service life of the rotating source of electrical energy is achieved by connecting and controlling the microgrid. This ensures the function of active protection of the rotating power source against negative electromechanical transient events. Transient events are mainly, but not exclusively, excited by the connected power system. Electrical and mechanical stresses, especially unwanted current and moment changes, are evaluated as transitional events.

Zvýšení flexibility rotačního zdroje elektrické energie je dosaženo způsobem zapojení a řízení výkonového polovodičového měniče a zařízení pro akumulaci elektrické energie. Plní pak funkci sekundárního elektronického řízeného zdroje elektrické energie připojeného do společného elektrického uzlu s rotačním zdrojem elektrické energie. Řídicí systém vyhodnocuje požadavky na výkon mikrosítě, respektive sekundárního elektronického řízeného zdroje, a generuje požadavek pro regulátor výkonu. Vyhodnocování se provádí na základě požadavku z nadřazeného řídicího systému elektrárny nebo zcela nezávisle na základě měření elektrických napětí a proudů pomocí bloku měření v uzlu. Sekundární elektronický řízený zdroj elektrické energie je schopný pracovat s řádově vyšší dynamikou regulace než konvenční rotační zdroj elektrické energie. Tím zvyšuje dynamiku regulace rotačního zdroje elektrické energie, respektive elektrárny jako celku. Primární rotační zdroj elektrické energie (typicky v konfiguraci soustrojí parní turbíny a synchronního generátoru) je tímto způsobem možné provozovat v optimálním provozním rozsahu bez nadměrně zatěžujících dynamických změn a tím významně zvýšit jeho životnost.Increasing the flexibility of the rotating source of electrical energy is achieved by connecting and controlling a power semiconductor converter and a device for accumulating electrical energy. It then fulfills the function of a secondary electronic controlled source of electrical energy connected to a common electrical node with a rotating source of electrical energy. The control system evaluates the power requirements of the microgrid, respectively the secondary electronic controlled source, and generates a demand for the power regulator. The evaluation is carried out on the basis of a request from the superior control system of the power plant or completely independently on the basis of the measurement of electric voltages and currents using the measurement block in the node. The secondary electronic controlled source of electrical energy is able to work with an order of magnitude higher dynamics of regulation than the conventional rotating source of electrical energy. This increases the dynamics of the regulation of the rotating source of electrical energy, or the power plant as a whole. In this way, the primary rotating source of electrical energy (typically in the configuration of a steam turbine and a synchronous generator) can be operated in the optimal operating range without excessively burdensome dynamic changes, thereby significantly increasing its service life.

Mikrosíť ajejí řídicí systém jsou navrženy způsobem, který umožňuje po uvedení do provozu plně samostatný provoz a samostatné zajištění funkce aktivní ochrany rotačního zdroje elektrické energie. To znamená, že mikrosíť a řídicí systém jsou způsobeny k provozu bez potřeby napojení do nadřazeného řídicího systému elektrárny nebo do řídicího systému rotačního zdroje elektrické energie. Jednosměrné či obousměrné propojení s nadřazeným řídicím systémem elektrárny je ovšem výhodné pro zvýšení dynamiky a přesnosti regulace při zvýšení flexibility rotačního zdroje elektrické energie anebo pro komunikaci diagnostických dat. Blok měření je využitelný pro provoz mikrosítě i pokud je v daný okamžik rotační zdroj elektrické energie odstaven mimo provoz. To znamená, že mikrosíť je uzpůsobena k provozu s běžícím nebo odstaveným rotačním zdrojem elektrické energie.The microgrid and its control system are designed in a way that enables fully independent operation after commissioning and independent provision of the function of active protection of the rotating power source. This means that the microgrid and the control system are made to operate without the need to connect to the superior control system of the power plant or to the control system of the rotating power source. One-way or two-way connection with the superior control system of the power plant is, however, advantageous for increasing the dynamics and accuracy of the regulation while increasing the flexibility of the rotating power source or for communicating diagnostic data. The measurement block can be used for microgrid operation even if the rotating power source is shut down at a given moment. This means that the microgrid is adapted to operate with the rotating power source running or shut down.

Komunikace mezi zařízením pro akumulaci elektrické energie a výkonovým polovodičovým měničem je zajištěna přes řídicí systém nebo přímo mezi jednotlivými bloky navzájem.Communication between the electrical energy storage device and the power semiconductor converter is ensured via the control system or directly between individual blocks.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazem na výkresy, kde je na obr. 1 - zapojení zařízení pro zvýšení životnosti a flexibility rotačního zdroje elektrické energie, přičemž plnou čarou jsou znázorněna energetická vedení a tečkovanou čarou komunikační vedení;An exemplary embodiment of the proposed solution is described with reference to the drawings, where in Fig. 1 - the connection of the device for increasing the life and flexibility of the rotating power source, with the solid line showing the energy lines and the dotted line the communication line;

obr. 2 - zapojení příkladného provedení zařízení pro zvýšení životnosti a flexibility rotačního zdroje elektrické energie, přičemž plnou čarou jsou znázorněna energetická vedení a tečkovanou čarou komunikační vedení;Fig. 2 - connection of an exemplary embodiment of a device for increasing the life and flexibility of a rotating source of electrical energy, where energy lines are represented by a solid line and communication lines by a dotted line;

-3CZ 35099 UI obr. 3 - příklad funkce aktivní ochrany rotačního zdroje elektrické energie, přičemž přerušovanou čarou je znázorněn elektrický moment generátoru při reakci aktivní ochrany a plnou čarou je znázorněn elektrický moment generátoru bez zásahu aktivní ochrany - obrázek uvádí idealizované průběhy momentu generátoru;-3CZ 35099 UI Fig. 3 - example of the function of active protection of a rotating power source, while the dashed line shows the electric torque of the generator during the response of the active protection and the solid line shows the electric torque of the generator without the intervention of the active protection - the figure shows the idealized generator torque courses;

obr. 4 - příklad funkce zvýšení flexibility rotačního zdroje elektrické energie, přičemž přerušovanou čarou je znázorněn celkový výkon mikrosítě, plnou čarou je znázorněn výkon rotačního zdroje elektrické energie a jemnou přerušovanou čarou s krátkými dílky je znázorněn výkon odebíraný ze zařízení pro akumulaci elektrické energie - obrázek uvádí idealizované průběhy veličin;Fig. 4 - an example of the function of increasing the flexibility of a rotating source of electrical energy, with a dashed line representing the total power of the microgrid, a solid line representing the power of a rotating source of electrical power, and a fine dashed line with short segments representing the power taken from a device for storing electrical energy - picture presents idealized courses of quantities;

obr. 5 - příklad funkce jako záložního zdroje pro studený start, přičemž přerušovanou čarou je znázorněn celkový výkon mikrosítě, plnou čarou je znázorněn výkon rotačního zdroje elektrické energie, jemnou přerušovanou čarou s krátkými dílky je znázorněn výkon zařízení pro akumulaci elektrické energie a tečkovanou čarou je znázorněna vlastní spotřeba tepelné elektrárny - obrázek uvádí idealizované průběhy veličin.Fig. 5 - example of the function as a backup source for a cold start, while the dashed line shows the total power of the microgrid, the solid line shows the power of the rotating source of electrical energy, the fine dashed line with short segments shows the power of the electrical energy storage device, and the dotted line is the thermal power plant's own consumption is shown - the picture shows idealized course of quantities.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of implementing a technical solution

V tomto příkladném provedení je zařízení pro zvýšení životnosti a flexibility rotačního zdroje elektrické energie aplikováno v systému tepelné elektrárny 19 - viz obr. 2.In this exemplary embodiment, the device for increasing the life and flexibility of the rotating source of electrical energy is applied in the thermal power plant system 19 - see Fig. 2.

Tepelná elektrárna 19 obsahuje mikrosíť 7 a síť 14 vlastní spotřeby, které jsou spojené ve společném elektrickém uzlu 4. Mikrosíť 7 obsahuje rotační zdroj 1 elektrické energie. Rotační zdroj 1 je v tomto případě turbosoustrojí tvořené zdrojem 3 mechanické energie v podobě parní turbíny a synchronním generátorem 2. Mikrosíť 7 dále obsahuje řídicí systém 8 s aktivní ochranou 9 a výkonovým regulátorem 10. zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonový polovodičový měnič 5. Síť 14 vlastní spotřeby tepelné elektrárny 19 se skládá z vlastní spotřeby 15 a záložního napájení 16. Elektrický uzel 4 obsahuje blok 11 měření a je spojen s blokovým transformátorem 18 pro vyvedení výkonu tepelné elektrárny 19 do elektrizační soustavy 12.The thermal power plant 19 contains a microgrid 7 and a self-consumption network 14, which are connected in a common electrical node 4. The microgrid 7 contains a rotating source 1 of electrical energy. In this case, the rotary power source 1 is a turbomachine consisting of a mechanical energy source 3 in the form of a steam turbine and a synchronous generator 2. The microgrid 7 also contains a control system 8 with active protection 9 and a power regulator 10. a device 6 for the accumulation of electrical energy and a power semiconductor converter 5. The self-consumption network 14 of the thermal power plant 19 consists of self-consumption 15 and backup power supply 16. The electrical node 4 contains a measurement block 11 and is connected to a block transformer 18 for outputting the power of the thermal power plant 19 to the electricity system 12.

Řídicí systém 8 mikrosítě 7 a řídicí systémy rotačního zdroje 1 elektrické energie a sítě 14 vlastní spotřeby jsou komunikačním vedením napojeny do nadřazeného řídicího systému 13 elektrárny. Řídicí systém 8 mikrosítě 7 je komunikačním vedením dále přímo propojen s řídicím systémem rotačního zdroje 1 elektrické energie. Vlastní spotřeba 15 je komunikačním i energetickým vedením napojena na výkonový polovodičový měnič 5.The control system 8 of the microgrid 7 and the control systems of the rotating source 1 of electric energy and the self-consumption network 14 are connected to the superior control system 13 of the power plant via a communication line. The control system 8 of the microgrid 7 is further directly connected to the control system of the rotating source 1 of electrical energy via a communication line. Self-consumption 15 is connected to the power semiconductor converter 5 through communication and energy lines.

Příklad funkce aktivní ochrany 9 rotačního zdroje 1 elektrické energie je uveden na obr. 3. V čase tl dojde v elektrizační soustavě 12 ke vzniku rychlého přechodového děje (vyvolaného např. spínáním velké zátěže v síti s malou zkratovou impedancí, v důsledku rekonfigurace elektrizační sítě při stabilizaci výkonových toků apod.). V případě, že není aktivní ochrana 9 rotačního zdroje 1 elektrické energie aktivována, dojde k transientní momentové odezvě na synchronním generátoru 2. To vede k nežádoucímu namáhání rotačního zdroje 1 elektrické energie a čerpání jeho životnosti. Účinky přechodového děje odezní v čase t2. V případě aktivované aktivní ochrany 9 rotačního zdroje 1 dojde v čase tl s pomocí bloku 11 měření a numerického modelu rotačního zdroje 1 k vyhodnocení nežádoucího přechodového děje. Aktivní ochrana 9 měří pomocí bloku 11 měření elektrická napětí a proudy v elektrickém uzlu 4. Tyto veličiny vstupují do numerického modelu rotačního zdroje 1 elektrické energie. Aktivní ochrana 9 pomocí numerického modelu řešením soustavy diferenciálních rovnic vyhodnocuje elektrické a mechanické namáhání rotačního zdroje 1. Aktivní ochrana 9 následně s pomocí výkonového polovodičového měniče 5 a zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie generuje v elektrickém uzlu 4 složky napětí a proudů. Tyto složky působí proti přechodovému ději, který negativně ovlivňuje životnost rotačního zdroje 1 elektrické energie. V ideálním případě aktivní ochrana 9 přechodový děj na synchronním generátoru 2 potlačí, což je patrné z průběhu momentu na obr. 3.An example of the function of the active protection 9 of the rotating power source 1 is shown in Fig. 3. At time tl, a rapid transient occurs in the power system 12 (caused, for example, by the switching of a large load in a network with a small short-circuit impedance, as a result of the reconfiguration of the power network at stabilization of power flows, etc.). If the active protection 9 of the rotating source of electrical energy 1 is not activated, a transient moment response will occur on the synchronous generator 2. This leads to unwanted stress on the rotating source of electrical energy 1 and the depletion of its service life. The effects of the transition event disappear at time t2. In the case of activated active protection 9 of the rotating source 1, an unwanted transient will be evaluated at time tl with the help of the measurement block 11 and the numerical model of the rotating source 1. Active protection 9 measures electrical voltages and currents in electrical node 4 using measuring block 11. These quantities enter the numerical model of rotating source 1 of electrical energy. The active protection 9 uses a numerical model to evaluate the electrical and mechanical stress of the rotating source 1 by solving a system of differential equations. The active protection 9 subsequently generates voltage and current components in the electrical node 4 with the help of the power semiconductor converter 5 and the device 6 for the accumulation of electrical energy. These components act against the transition event, which negatively affects the lifetime of the rotating source 1 of electrical energy. In an ideal case, the active protection 9 suppresses the transient event on the synchronous generator 2, which can be seen from the torque curve in Fig. 3.

-4CZ 35099 UI-4CZ 35099 UI

Příklad funkce zvýšení flexibility rotačního zdroje elektrické energie (např. rychlosti náběhu podpůrné služby) je znázorněn na obr. 4. V čase tl dojde k požadavku na změnu výkonu rotačního zdroje 1 elektrické energie z hodnoty P2 na hodnotu P3. Zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonový polovodičový měnič 5 pokryjí výkonový požadavek změnou svého výkonu na hodnotu Piv čase t2. Poté se jeho výkon bude snižovat adekvátně zvyšujícímu se výkonu rotačního zdroje 1 elektrické energie. V čase t3 přebírá krytí celého výkonového požadavku rotační zdroj 1 elektrické energie, který najede na hodnotu výkonu P3. Následně v čase t3 dochází také k dobíjení zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie. To je realizováno dalším zvyšováním výkonu rotačního zdroje 1 elektrické energie na hodnotu P4 a ekvivalentním snižováním výkonu zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonového polovodičového měniče 5 na zápornou hodnotu P5. Rychlost změny výkonu zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonového polovodičového měniče 5 pro úpravu hodnoty vlastního nabití nesmí být vyšší než maximální rychlost změny výkonu rotačního zdroje 1 elektrické energie.An example of the function of increasing the flexibility of the rotating source of electrical energy (e.g. the start-up speed of the supporting service) is shown in Fig. 4. At time tl, there is a request to change the power of the rotating source of electrical energy 1 from the value P2 to the value P3. The electrical energy storage device 6 and the power semiconductor converter 5 cover the power demand by changing their power to the value Piv at time t2. After that, its power will decrease in accordance with the increasing power of the rotating source 1 of electrical energy. At time t3, the rotary power source 1 takes over the coverage of the entire power requirement, which reaches the power value P3. Subsequently, at time t3, the device 6 for the accumulation of electrical energy is also recharged. This is realized by further increasing the power of the rotary source 1 of electrical energy to the value P4 and equivalently reducing the power of the device 6 for the accumulation of electrical energy and the power semiconductor converter 5 to the negative value P5. The rate of change in power of the device 6 for accumulating electrical energy and the power semiconductor converter 5 for adjusting the self-charge value must not be higher than the maximum rate of change in power of the rotating source 1 of electrical energy.

Příklad funkce zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonového polovodičového měniče 5 jako záložního zdroje při studeném startu tepelné elektrárny 19 je znázorněn na Obr. 5. K začátku studeného startu dochází v čase 11, kdy se výkon vlastní spotřeby 15 zvyšuj e z nuly na hodnotu P1. Tento výkon je plně krytý zařízením 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonovým polovodičovým měničem 5. V čase t2 dojde k přifázování synchronního generátoru 2 a najíždění rotačního zdroje 1 elektrické energie na hodnotu výkonu PÍ potřebnou pro napájení vlastní spotřeby 15. Hodnotu výkonu PÍ rotační zdroje 1 elektrické energie dosáhne v čase t3. Ekvivalentně tomu se výkon zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonového polovodičového měniče 5 snižuje knule, které dosáhne v čase t3. Mezi časy t3 at4 je výkon rotačního zdroje 1 elektrické energie udržován z technologických důvodů na hodnotě vlastní spotřeby Pl. Při najíždění rotačního zdroje 1 elektrické energie na požadovanou hodnotu výkonu P2 mezi časy t4 a t5 dochází k dobíjení zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie. Tím se výkon zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie a výkonového polovodičového měniče 5 sníží na zápornou hodnotu P3. V čase t5 je zařízení 6 pro akumulaci elektrické energie dobito a výkon rotačního zdroje 1 elektrické energie je roven celkovému výkonu mikrosítě 7.An example of the function of the device 6 for the accumulation of electrical energy and the power semiconductor converter 5 as a backup source during the cold start of the thermal power plant 19 is shown in Fig. 5. The beginning of the cold start occurs at time 11, when the self-consumption power 15 increases from zero to the value P1. This power is fully covered by the device 6 for the accumulation of electrical energy and the power semiconductor converter 5. At time t2, the synchronous generator 2 will be phased and the rotating source 1 of electric energy will reach the power value PÍ needed to power its own consumption 15. The power value PÍ of the rotating source 1 electric power reaches at time t3. Equivalently, the power of the electric energy storage device 6 and the power semiconductor converter 5 is reduced to the value it reaches at time t3. Between times t3 and 4, the output of the rotating source 1 of electrical energy is maintained at the value of its own consumption Pl for technological reasons. When the rotating source 1 of electrical energy reaches the desired power value P2 between times t4 and t5, the device 6 for accumulating electrical energy is recharged. This reduces the power of the electrical energy storage device 6 and the power semiconductor converter 5 to a negative value of P3. At time t5, the electrical energy storage device 6 is charged and the power of the rotating power source 1 is equal to the total power of the microgrid 7.

Claims

1. A device for increasing the life and flexibility of a rotating source (1) of electrical energy, which includes an electrical generator (2) connected to a source (3) of mechanical energy, characterized in that the rotating source (1) of electrical energy is connected to an electrical node ( 4) together with the output of the power semiconductor converter (5), the input of the power semiconductor converter (5) is connected to the device (6) for the accumulation of electrical energy, the device further comprising a control system (8) for controlling the microgrid (7), which microgrid ( 7) includes an electric generator (2) and a source (3) of mechanical energy, a power semiconductor converter (5), a device (6) for the accumulation of electric energy, a control system (8), a block (11) of measurement and an electrical node (4), while the active protection (9) of the rotating source (1) against transient electromechanical stress and the power regulator (10) are part of the control system (8) and the measuring inputs for the active protection (9) and the power regulator (10) are connected to the block (11) measurement, which is connected to the electrical node (4), through which the microgrid (7) is connected to the electrification system (12).

2. Device according to claim 1, characterized in that the control system (8) is connected to the superior control system (13) of the power plant via a one-way or two-way communication line.

3. Device according to any one of the preceding claims 1 and 2, characterized in that the source (3) of mechanical energy is formed by a turbine or an internal combustion engine.

4. Device according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the device (6) for accumulating electrical energy is formed by an electrochemical or mechanical accumulator.