Разработка алгоритмического решения для снижения износа механизмов гидравлических турбин электростанций, участвующих во вторичном регулировании частоты

Юрий Валентинович Казанцев; Алексей Никодимович Калинин; Денис Викторович Корнилович; Евгений Иванович Сацук; Лев Юрьевич Сергиевичев

Разработка алгоритмического решения для снижения износа механизмов гидравлических турбин электростанций, участвующих во вторичном регулировании частоты

Юрий Валентинович Казанцев, Алексей Никодимович Калинин, Денис Викторович Корнилович, Евгений Иванович Сацук, Лев Юрьевич Сергиевичев

Аннотация

Рукопись поступила в редакцию 28.04.2025, утверждена редколлегией в печать 7.07.2025.

Рассматривается проблема износа механизма поворота лопастей рабочих колес поворотно-лопастных гидротурбин гидроэлектростанций (ГЭС), участвующих во вторичном регулировании частоты и активной мощности (АРЧМ) под управлением централизованной координирующей системы (ЦКС АРЧМ). С учётом высокой маневренности гидравлических турбин растёт значимость гидроэлектростанций для балансировки режимов современных энергосистем, особенно в условиях увеличения доли использования возобновляемых источников энергии. Основное внимание уделяется влиянию знакопеременных заданий внеплановой активной мощности (ЗВМ) электростанции от ЦКС АРЧМ и, как следствие, знакопеременных управляющих воздействий со стороны автоматических систем регулирования гидроагрегатов на износ механизмов турбин.

Для анализа факторов износа проведён анализ достаточно крупного массива осциллограмм штатных систем регистрации (АСУТП) одной из станций Волжского каскада с использованием программного комплекса MATLAB. Разработан программный скрипт, позволяющий фильтровать данные осциллограмм и рассчитывать ключевые количественные показатели износа, включая суточный пробег сервомоторов и количество изменений направления регулирования. Далее, по осциллограммам с ГЭС была разработана и верифицирована точная математическая модель гидроагрегата ст. № 8 для задач разработки алгоритмов регулирования. С использованием численного моделирования на данной верифицированной модели был разработан и проверен ряд прототипов алгоритмов управления сервоприводами рабочего колеса (комбинатор), а также выбраны настройки наиболее оптимальной по ряду критериев версии алгоритма, позволяющего значительно снизить суммарный пробег механизмов поворота лопастей турбины.

DOI: 10.71841/ep.elst.2025.1130.9.04

Ключевые слова

моделирование;гидравлическая турбина;регулятор турбины;автоматическое вторичное регулирование частоты и активной мощности;износ механизмов турбины

Полный текст:

PDF

Литература

Рабинович, Р.С. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем / Р.С. Рабинович; под ред. Е. Д.Зейлидзона. – М.: Энергия, 1980. -- 344 с.

Казанцев, Ю.В. Опережающее регулирование частоты и мощности на гидроэлектростанциях в изолированных энергосистемах / Ю.В. Казанцев, Г.В. Глазырин // Новое в российской электроэнергетике: науч.-техн. электрон. журн. -- 2017. -- № 11. -- С. 20 -- 27.

Cutululis, N.A. Hydropower flexibility and transmission expansion to support integration of offshore wind / N.A. Cutululis, H. Farahmand [et al.] // Offshore Wind Farms: Technologies, Design and Operation. – 2016. – Vol. 1 – P. 495 -- 523.

Farahmand, H. Nordic hydropower flexibility and transmission expansion to support integration of North European wind power / H. Farahmand, S. Jaehnert, T. Aigner, D. Huertes-Hernando // Wind Energy. – 2015. – Vol. 18. – P. 1075 – 1103.

Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление, Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования: ГОСТ Р 55890-2013: утв. и введ. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 05 декабря № 2013 № 2164-ст. – М.: Стандартинформ, 2024.

Kazantsev, Yu.V. Novel technologies for optimization of hydroelectric power plants with hydrogen energy storage system / Yu.V. Kazantsev, D.V. Kornilovich, A.I. Khalyasmaa, A.A. Arhipov, A.V. Miklukhin, L. Yu. Sergievichev, M.V. Tsuran // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 96. -- P. 952 -- 961.

Казанцев, Ю.В. Исследование алгоритмов распределения реактивной мощности для оптимизации потерь мощности на гидроэлектростанциях / Ю.В. Казанцев, Д.В. Корнилович, А.И. Хальясмаа, А.А. Архипов, А.В. Миклухин, Л.Ю. Сергиевичев, М.В. Цуран // Альтернативная энергетика и экология. – 2024. – № 3 (420). – С. 12 – 27. -- DOI 10.15518/isjaee.2024.03.012-027.

Казанцев. Ю.В. Исследование и разработка алгоритмов группового регулирования активной и реактивной мощности ГЭС: дис. … канд. техн. наук.: 05.04.02 / Казанцев Ю.В. – Новосибирск: НГТУ, 2021. -- 198 с.

Kazantsev, Y.V. Advanced Algorithms in Automatic Generation Control of Hydroelectric Power Plants [Electronic resource] / Y.V. Kazantsev, G.V. Glazyrin, A.I. Khalyasmaa, S.M. Shayk, M.A. Kuparev // Mathematics. – 2022. – Vol. 10, is. 24. – Art. 4809 (18 p.). -- DOI 10.3390/math10244809.

Narkhede, N. Optimization of Kaplan turbines for frequency regulation in hybrid hydropower plants citation / N. Narkhede. – Uppsala universitet, 2022. -- 50 с.

Yang, W. Wear and tear on hydro power turbines – Influence from primary frequency control / W. Yang, P. Norrlund, L. Saarinen, J. Yang, W. Guo, W. Zeng // Renewable Energy. – 2016. – Vol. 87. P. 88 -- 95.

Yang, W. Wear Reduction for Hydropower Turbines Considering Frequency Quality of Power Systems: A Study on Controller Filters / W. Yang, P. Norrlund, L. Saarinen, J. Yang, W. Zeng, U. Lundin // IEEE Transactions on Power Systems. -- 2016. -- 32. 1-1. -- 10.1109/TPWRS.2016.2590504.

Cassano, S. Reduction of Penstock Fatigue in a Medium-Head Hydropower Plant Providing Primary Frequency Control / S. Cassano, C. Nicolet, F. Sossan // 55th International Universities Power Engineering Conference (UPEC). -- Turin, Italy, 2020. – P. 1 -- 6.

Андреев, А.В. Иерархическая система автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС России / А.В. Андреев, Г.Н. Лившиц, А.М. Машанский, А.Н. Пономарёва, А.Н. Сафронов // Электрические станции. – 2010. -- № 3. -- С. 43 -- 51.

Жуков, А.В. Перспективы развития систем АРЧМ в ЕЭС России / А.В. Жуков, А.Т. Демчук, А.Н. Сафронов // Cб. докладов XXI конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем» 29 -- 31 мая. – 2012. -- С.430 -- 446.

Полюшкин, Н.Г. Основы теории трения, износа и смазки: учеб. пособие / Н.Г. Полюшкин. – Красноярск: Краснояр. гос. аграр. ун-т., 2013. – 192 с.

Pascual-Marqui, R. Linear causal filtering: definition and theory / R. Pascual-Marqui, R.J. Lirio, J. Bosch-Bayard, P. Faber, P. Achermann, T. Kinoshita, K. Kochi. – 2021. -- 10.1101/2021.05.01.442232.

Дудченко, Л.Н. Автоматическое регулирование частоты и активной мощности в энергосистеме гидроагрегатами ГЭС: учеб. пособие по курсу "Вспомогательное оборудование ГЭС" для студентов, обучающихся по направлению "Электроэнергетика" / Л.Н. Дудченко. – М.: Изд. дом МЭИ, 2008. -- 86 с.

Glazyrin, G. The transient processes simulation of Kaplan turbine operating in propeller modes / G. Glazyrin, Y. Kazantsev, N. Tverdokhlebov // Applied Mechanics and Materials. -- 2015. – Vol. 698: Electrical Engineering, Energy, Mechanical Engineering, EEM 2014. – P. 655 -- 659.

Методические указания по проведению натурных испытаний гидротурбинных агрегатов при вводе их в эксплуатацию на ГЭС: РД 153-34.2-31.302-2001. – М.: РАО «ЕЭС России», 2001.

Устройства автоматического регулирования частоты и активной мощности гидроагрегатов гидравлических и гидроаккумулирующих электростанций. Нормы и требования: ГОСТ Р 70661-2023: утв. и введ. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 2 марта 2023 г. № 119-ст. – М.: Российский институт стандартизации, 2023.